Laporan He Kekompok 5

1 |

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

LAPORAN PRAKTIKUM

UOB 2

MODUL HEAT EXCHANGER

Kelompok 5

Fachryan Zuhri / 1106012224

Tatia Chairunissa / 1106012924

Lita Lianti / 1106011120

Rosyida Khusniatul A / 1106012432


PROGRAM STUDI TEKNOLOGI BIOPROSES

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK, 2014

2 |


Daftar Isi

Halaman Muka ........................................................................................................................... 1

Daftar Isi .................................................................................................................................... 2

BAB I PENDAHULUAN ......................................................................................................... 3

I.1. Tujuan .......................................................................................................................... 3

I.2. Teori Dasar ................................................................................................................... 3

BAB II PROSEDUR DAN PERALATAN PERCOBAAN ................................................ 21

II.1 Peralatan Percobaan ................................................................................................... 21

II.2 Prosedur Percobaan .................................................................................................... 22

BAB III PENGOLAHAN DATA .......................................................................................... 23

III.1 Data Pengamatan ...................................................................................................... 23

III.2 Pengolahan Data ....................................................................................................... 23

BAB IV ANALISIS ................................................................................................................ 32

IV.1 Analisis Percobaan ................................................................................................... 32

IV.2 Analisis Data dan Hasil ........................................................................................... 33

IV.3 Analisis Kesalahan ................................................................................................... 38

BAB V KESIMPULAN ......................................................................................................... 39

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................ 40

3 |


BAB I

PENDAHULUAN

I.1. Tujuan

Untuk mengetahui unjuk kerja alat penukar kalor jenis pipa ganda (double pipe heat

exchanger) dengan menghitung koefisien perpindahan panas, faktor kekotoran, efisiensi, dan

perbandingan untuk aliran searah dan berlawanan arah.

I.2. Teori Dasar

I.2.1. Definisi Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor atau heat exchanger (HE) adalah suatu alat yang digunakan

untuk menukarkan kalor dari suatu fluida ke fluida lain baik dari fasa cair ke cair maupun

dari fasa uap ke cair. Pengertian lainnya adalah suatu alat yang dapat menyerap ataupun

memberikan panas pada fluida yang mengalir. Mekanisme perpindahan kalor pada alat

penukar kalor yaitu secara konveksi pada kedua fluida yang mengalir dan secara

konduksi pada dinding pemisah kedua fluida.

I.2.2. Prinsip Kerja Heat Exchanger

Pada dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari

dua fluida padatemperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara

langsung ataupun tidak langsung.

a. Secara kontak langsung

Panas yang dipindahkan secara kontak langsung berarti perpindahan kalor

terjadi antara fluida bersuhu lebih tinggi dan bersuhu lebih rendah melalui kontak

langsung (tidak ada dinding pemisah antara kedua fluida).

Transfer panas yang terjadi yaitu melalui interfase/penghubung antara kedua

fluida. Contoh aliran pada kontak langsung yaitu dua zat cair yang immiscible, gas-

liquid, dan partikel padat-kombinasi fluida.

b. Secara kontak tak langsung

Panas yang dipindahkan secara kontak langsung berarti perpindahan kalor

terjadi antara fluida bersuhu lebih tinggi dan bersuhu lebih rendah melalui sebuah

dinding pemisah. Skema perpindahan kalor seacar kontak tak langsung dapat dilihat

pada gambar di bawah ini.

4 |


Gambar 1.1. Perpindahan Kalor secara Tak Langsung pada Heat Exchanger

(Sumber: Ikhsan, 2012. http://beck-fk.blogspot.com/2012/05/alat-heat-exchanger.html)

I.2.3. Jenis-jenis Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor atau Heat Exchanger (HE) sering dinamakan dengan lebih

spesifik sesuai dengan aplikasinya. Kondenser merupakan HE di mana fluida didinginkan

dan berkondensasi ketika mengalir melalui HE. Boiler merupakan HE di mana fluidanya

mengabsorbsi panas dan menguap. Sedangkan space radiator merupakan HE yang

menukar kalor dari fluida panas ke lingkungan melalui radiasi. Berikut ini adalah jenis

alat penukar kalor berdasarkan kompleksitas alat:

1. Double pipe HE

Terdiri dari satu buah pipa yang diletakkan di dalam sebuah pipa lainnya yang

berdiameter lebih besar secara konsentris. Fluida yang satu mengalir di dalam pipa

kecil sedangkan fluida yang lain mengalir di bagian luarnya.

Pada alat penukar kalor ini, salah satu fluida mengalir melalui pipa kecil

sedangkan yang satu lagi melalui annulus. Pada bagian pipa kecil biasanya dipasang

fin atau sirip memanjang, hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan permukaan panas

yang lebih luas. Double pipe ini dapat digunakan untuk memanaskan atau

mendinginkan fluida hasil proses yang membutuhkan area perpindahan panas yang

kecil (biasanya hanya mencapai 50 m2). Double pipe ini juga dapat digunakan untuk

mendidihkan atau mengkondensasikan fluida proses tapi dalam jumlah yang sedikit.

5 |


Ada dua jenis arah aliran yang dapat mungkin terjadi, yaitu aliran paralel dan

aliran counter.

(a) (b)

Gambar 1.2. (a) Parallel flow, (b) Counter flow pada double-pipe HE

(Sumber: Holman, J.P. 2009. Heat Transfer 10th

ed.)

Pada alat ini, mekanisme perpindahan kalor terjadi secara tidak langsung

(indirect contact type), karena terdapat dinding pemisah antara kedua fluida sehingga

kedua fluida tidak bercampur. Fluida yang memiliki suhu lebih rendah (fluida

pendingin) mengalir melalui pipa kecil, sedangkan fluida dengan suhu yang lebih

tinggi mengalir pada pipa yang lebih besar (pipa annulus).

Penukar kalor demikian mungkin terdiri dari beberapa lintasan yang disusun

dalam susunan vertikal. Perpindahan kalor yang terjadi pada fluida adalah proses

konveksi, sedang proses konduksi terjadi pada dinding pipa. Kalor mengalir dari fluida

yang bertemperatur tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah.

Kerugian yang ditimbulkan jika memakai heat exchanger ini adalah kesulitan

untuk memindahkan panas dan mahalnya biaya per unit permukaan transfer. Tetapi,

double pipe ini juga memiliki keuntungan yaitu heat exchanger ini dapat dipasang

dengan berbagai macam fitting (ukuran). Selebihnya kelebihan dan kekurangan dari

double pipe HE akan dijabarkan lebih lanjut pada Tabel 1.1

6 |


Tabel 1.1. Kelebihan dan Kekurangan Double Pipe HE

Kelebihan Kekurangan

Dapat diatur sedemikian rupa agar

diperoleh batas pressure drop dan LMTD

sesuai keperluan

Mahal

Dapat digunakan untuk fluida bertekanan

tinggi

Biasanya digunakan untuk sejumlah kecil

fluida yang akan dipanaskan atau

dikondensasikan

Bisa dipasang secara seri atau paralel Terbatas untuk fluida yang membutuhkan

area perpindahan kalor kecil (

7 |


Gambar 1.3. Konfigurasi aliran menyilang pada Compact HE: (kiri) kedua fluida tidak bercampur,

(kanan) satu fluida bercampur, satu lagi tidak


ed.)

3. Shell and Tube HE

Alat penukar kalo jenis ini adalah alat penukar kalor yang umum digunakan

dalam industri. Secara sederhana, prinsip kerja HE adalah sebagai berikut. Terdapat

dua fluida yang berbeda temperatur; yang satu dialirkan dalam tube dan yang lainnya

dalam shell hingga bersentuhan secara tidak langsung. Panas dari fluida yang

temperaturnya lebih tinggi berpindah ke fluida yang temperaturnya lebih rendah.

Dengan demikian fluida panas yang masuk akan menjadi lebih dingin dan

fluida dingin yang masuk akan menjadi lebih panas. Untuk menjamin fluida di sebelah

shell mengalir melintasi tube (agar perpindahan kalornya tinggi), maka dalam shell

dipasang sekat-sekat (baffles) seperti terlihat pada Gambar 1.4.

Gambar 1.4. Skematik shell-and-tube heat exchanger (one-shell-pass dan one-tube-pass)


ed.)

8 |


4. Plate and Frame HE

Alat penukar kalor jenis ini terdiri dari rangkaian plat dengan corrugated flat.

terdiri dari rangkaian plat dengan corrugated flat. Pada konstruksi ini terdapat coil

pipa bersirip plat untuk mengalirkan fluida yang berlainan.

Gambar 1.5. Bentuk Fisik & Skema Aliran Fluida pada Plate-And-Frame Heat Exchanger

(Sumber : Anonim, 2012. http://www.brighthubengineering.com)

Adapun jika dilihat berdasarkan aliran dan distribusi temperatur idealnya, dibagi

menjadi:

1. Parallel flow

Kedua fluida mengalir dalam heat exchanger dengan aliran yang searah.

Kedua fluida memasuki HE dengan perbedaan suhu yang besar. Perbedaan temperatur

yang besar akan berkurang seiring dengan semakin besarnya x, jarak pada HE.

Temperatur keluaran dari fluida dingin tidak akan melebihi temperatur fluida panas.

2. Counter flow

Aliran jenis ini berlawanan dengan parallel flow, kedua aliran fluida yang

mengalir dalam HE masuk dari arah yang berlawanan. Aliran keluaran yang fluida

dingin ini suhunya mendekati suhu dari masukan fluida panas sehingga hasil suhu

yang didapat lebih efekrif dari parallel flow. Mekanisme perpindahan kalor jenis ini

hampir sama dengan parallel flow, di mana aplikasi dari bentuk diferensial dari

persamaan steady-state:

dLatTUdQ " (1.1)

wcdtWCdTdQ (1.2)

3. Cross flow HE

Aliran jenis ini terjadi jika di mana satu fluida mengalir tegak lurus dengan

fluida yang lain. Biasa dipakai untuk aplikasi yang melibatkan dua fasa. Sebagai

contoh yaitu pada sistem kondensor uap (tube and shell heat exchanger), di mana uap

memasuki shell, air pendingin mengalir di dalam tube dan menyerap panas dari uap

sehingga uap menjadi cair.

9 |


Dari ketiga tipe aliran pada heat exchanger diatas maka dapat disimpulkan

bahwa tipe counterflow yang paling efisien ketika kita membandingkan laju

perpindahan kalor per unit area. Dengan beda temperatur fluida yang paling maksimal

di antara kedua tipe heat exchanger lainnya, maka beda temperatur rata-rata (log mean

temperature difference) akan maksimal.

I.2.4. Faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja HE

Di bawah ini merupakan faktor-faktor yang dapat mempengaruhi kinerja dari

suatu heat exchanger yaitu sebagai berikut:

1. Fouling factor

Setelah dipakai beberapa lama, permukaan perpindahan kalor alat penukar

kalor mungkin dilapisi oleh berbagai endapan yang biasa terdapat dalam sistem

aliran; atau permukaan itu mungkin mengalami korosi sebagai akibat interaksi

antara fluida dengan bahan yang digunakan dalam konstruksi penukar kalor.

Dalam kedua hal di atas, lapisan itu memberikan tahanan tambahan terhadap

aliran kalor, dan hal ini menyebabkan menurunnya kemampuan kerja alat itu.

Pengaruh menyeluruh daripada hal tersebut di atas biasa dinyatakan dengan faktor

pengotoran (fouling factor), atau tahanan pengotoran, Rf, yang harus

diperhitungkan bersama tahanan termal lainnya, dalam menghitung koefisien

perpindahan kalor menyeluruh.

Faktor pengotoran harus didapatkan dari percobaan, yaitu dengan

menentukan U (koefisien perpindahan kalor keseluruhan/ overall coefficient of

heat transfer) untuk kondisi bersih (UC) dan kondisi kotor (UD) pada penukar

kalor itu. Oleh karena itu, faktor pengotoran didefinisikan sebagai:

bersihkotor UU

Rf11

(1.3)

dimana U pipa yang kotor tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus

sebagai berikut :

Rfhr

r

k

rrr

k

rrr

h

Ui

pipe

ipj

insulator

pi

i 00

0 )/ln()/ln(1

1

(1.4)

Sementara itu, untuk U

10 |


exchanger di mana nilai U terletak sekitar 2000 maka fouling factor akan menjadi

penting. Pada finned tube heat exchanger di mana gas panas mengalir di dalam

tube dan gas yang dingin mengalir melewatinya, nilai U mungkin sekitar 200, dan

fouling factor akan menjadi signifikan.

Fouling dapat didefinisikan sebagai pembentukan lapisan deposit pada

permukaan perpindahan panas dari suatu bahan atau senyawa yang tidak

diinginkan. Pembentukan lapisan deposit ini akan terus berkembang selama alat

penukar kalor dioperasikan. Akumulasi deposit pada alat penukar kalor

menimbulkan kenaikan pressure drop dan menurunkan efisiensi perpindahan

panas. Keterlibatan beberapa faktor di antaranya: jenis alat penukar kalor, jenis

material yang dipergunakan, dan fluida kerja (jenis fluida, temperatur fluida, laju

alir massa, jenis, dan konsentrasi kotoran yang ada dalam fluida).

Nilai fouling factor yang disarankan untuk beberapa fluida diberikan dalam

Tabel 1.2.

Tabel 1.2. Daftar Fouling Factor Normal

Jenis Fluida Fouling Factor

R.ft2.O

F/Btu m2.O

C/W

Air laut, di bawah 125oF 0,0005 0,00009

Air laut, di atas 125oF 0,001 0,002

Air umpan ketel yang diolah 0,001 0,0002

Minyak bakar 0,005 0,0009

Minyak celup 0,004 0,0007

Uap alcohol 0,0005 0,00009

Uap, tidak mengandung minyak 0,0005 0,00009

Udara industri 0,002 0,0004

Zat cair pendingin 0,001 0,0002

(Sumber: Heat Transfer, J.P. Holman )

Lapisan fouling dapat berasal dari partikel-partikel atau senyawa lainnya

yang terangkut oleh aliran fluida. Pertumbuhan lapisan tersebut dapat meningkat

apabila permukaan deposit yang terbentuk mempunyai sifat adhesif yang cukup

kuat. Gradien temperatur yang cukup besar antara aliran dengan permukaan dapat

juga meningkatkan kecepatan pertumbuhan deposit. Pada umumnya, proses

pembentukan lapisan fouling merupakan phenomena yang sangat kompleks

sehingga sukar sekali dianalisa secara analitik. Selain itu, mekanisme

pembentukannya sangat beragam dan metode pendekatannya juga berbeda-beda.

11 |


Gambar 1.6. Proses Pembentukan Fouling dan Faktor Pengotoran pada Pipa

2. Penurunan tekanan heat exchanger

Pressure drop merupakan banyaknya penurunan tekanan yang terjadi akibat

heat transfer dalam pipa. Penurunan tekanan ini dikarenakan adanya perubahan

suhu secara tiba-tiba karena beban kecepatan dan faktor friksi dalam aliran kedua

fluida. Pressure drop dapat digunakan rumus sebagai berikut :

fu

D

Lp av

2.

2

(1.5)

dimana L adalah panjang pipa, D adalah jari-jari pipa, adalah masa jenis fluida,

Uav adalah kecepatan rata-rata dan f adalah faktor friksi.

a. Penurunan tekanan pada sisi shell

Apabila dibicarakan besarnya penurunan tekanan pada sisi shell alat alat

penukar panas, masalahnya proporsional dengan beberapa kali fluida itu

menyebrangi pipa bundle diantara sekat-sekat. Besarnya penurunan tekanan

pada isothermal untuk fluida yang dipanaskan atau didinginkan, serta kerugian

saat masuk dan keluar, adalah :

(1.6)

dimana:

= faktor friksi pada shell

= laju alir massa di shell

= jumlah baffle

= diameter dalam shell

12 |


= diameter ekivalen

= luas laluan aliran di shell

= spesific gravity

= faktor koreksi viskositas pada shell

b. Penurunan tekanan pada sisi pipa

Besarnya penurunan tekanan pada sisi pipa alat penukar panas telah

diformulasikan, persamaan terhadap faktor gesekan dari fluida yang dipanaskan

atau yang didinginkan di dalam pipa.

(1.7)

dimana:

= faktor friksi pada tube

= panjang tube

= laju alir massa di tube

= jumlah aliran tube

= massa jenis fluida dalam tube

Mengingat bahwa fluida itu mengalami belokan pada saat pass-nya, maka

akan terdapat kerugian tambahan penurunan tekanan:

(1.8)

dimana:

= kecepatan fluida dalam tube

Penurunan tekanan pada heat exchanger khususnya pada tabung dan

rangkunan tabung dapat menyebabkan perubahan faktor gesek (friction factor).

Pada tabung hubungan antara faktor friksi dan penurunan tekanan dituliskan

sebagai berikut :

2

2 c

pf

L V

D g

(1.9)

Perubahan faktor friksi ini mengakibatkan berubahnya angka Reynold dan

angka Nusselt, sehingga nilai koefisien perpindahan kalor konveksinya berubah.

Dengan berubahnya koefisien perpindahan kalor konveksi maka kofisien

perpindahan kalor menyeluruhpun ikut berubah. Pressure drop dapat

13 |


menurunkan kinerja dari alat penukar kalor dan membuat nilai U (koefisien heat

transfer overall) menjadi berkurang, yang akibatnya perpindahan kalor antara

kedua fluida juga akan makin sedikit. Dengan demikian, proses tidak akan

berjalan secara efisien. Oleh karena itu, semakin besar nilai pressure drop,

semakin rendah kinerja alat penukar kalor.

3. Koefisien perpindahan panas

Pada aliran di mana satu fluida mengalir pada bagian dalam tabung yang lebih

kecil di mana fluida yang lain mengalir dalam ruang anular diantara dua tabung,

maka perpindahan kalor dapat dideskripsikan dengan:

oo

rr

BA

AhkLAh

TTq

i

o 1

2

ln1

1 (1.10)

4. Jumlah lintasan

Di dalam alat penukar kalor, jumlah lintasan sangat menentukan kecepatan

perpindahan kalor. Apabila jumlah lintasan yang ada banyak, maka akan

berpengaruh pada luas permukaan yang melepas kalor. Seperti yang diketahui,

apabila luas permukaan yang terkena fluida panas semakin banyak atau luas,

maka perpindahan kalor akan terjadi lebih cepat.

5. Kecepatan

Kecepatan dari fluida mempengaruhi bilangan reynoldnya. Sementara itu,

angka reynold sangat berpengaruh dalam perhitungan matematis.

6. Distribusi temperatur

Apabila distribusi temperatur di dalam fluida tidak merata, maka perpindahan

kalor yang terjadi tidak merata di beberapa permukaan. Ada permukaan yang

lebih banyak aliran konveksinya apabila distribusi suhu di tempat tersebut cukup

besar, begitu pula sebaliknya.

7. Luas permukaan perpindahan panas

Semakin tinggi luas permukaan panas, semakin besar panas yang dipindahkan.

Luas perpindahan panas ini tergantung pada jenis tube dan ukuran tube yang

digunakan suatu heat exchanger.

8. Beda suhu rata-rata

Temperatur fluida panas maupun fluida dingin yang masuk heat exchanger

biasanya selalu berubah-ubah. Untuk menentukan perbedaan temperatur tersebut

digunakan perbedaan temperatur rata-rata atau Logarithmic Mean Temperature

14 |


Difference (LMTD). LMTD digunakan dalam perhitungan-perhitungan heat

exchanger yang menunjukkan panas yang dipindahkan.

11

22

1122

lnch

ch

chchm

TTTT

TTTTT

(1.11)

I.2.5. Perpindahan Kalor HE

Jumlah kalor yang dipindahkan dalam alat penukar kalor dapat dihitung

dengan LMTD metode NTU efektivitas.

1. Beda Suhu Rata-rata Logaritmik (LMTD)

Dalam penukar kalor pipa ganda, fluidanya dapat mengalir dalam aliran

sejajar maupun aliran lawan arah. Profil suhu untuk kedua kasus ini telah

ditunjukkan sebelumnya pada gambar 1 yang (a) dan juga (b).

Kita dapat menghitung perpindahan kalor dalam susunan pipa ganda ini

dengan

mTUAq (1.12)

di mana:

U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh

A = luas permukaan perpindahan-kalor yang sesuai dengan definisi U

Tm = beda suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam penukar kalor

Beda suhu rata-rata yang dimaksud di atas adalah beda suhu rata-rata log

(LMTD = log mean temperature difference), yaitu :

11

22

1122

lnch

ch

chchm

TT

TT

TTTTT

(1.13)

Subskrib 1 dan 2 menunjukkan masuk dan keluar, subskrib h dan c

menunjukkan panas dan dingin. Penurunan LMTD di atas berkenaan dengan dua

asumsi:

a. kalor spesifik fluida tidak berubah menurut suhu.

b. koefisien perpindahan kalor konveksi tetap, untuk seluruh penukar kalor.

Asumsi kedua biasanya sangat penting karena pengaruh pintu-masuk,

viskositas fluida, perubahan konduktivitas-termal, dan sebagainya. Biasanya untuk

15 |


memberikan koreksi atas pengaruh-pengaruh tersebut perlu digunakan metode

numerik.

Jika suatu penukar-kalor yang bukan jenis pipa-ganda digunakan,

perpindahan kalor dihitung dengan menerapkan faktor koreksi terhadap LMTD

untuk susunan pipa ganda aliran-lawan-arah dengan suhu fluida panas dan suhu

fluida dingin yang sama. Bentuk persamaan menjadi:

mTUAFq

(1.14)

Nilai faktor koreksi F digambarkan dalam gambar di lampiran untuk berbagai

jenis penukar-kalor. Bila terdapat perubahan fase, seperti kondensasi atau

penguapan, fluida biasanya berada pada suhu yang sebenarnya tetap, dan

persamaan-persamaan itu menjadi lebih sederhana. Untuk kondisi ini P atau R

menjadi nol, dan kita dapatkan 0.1F untuk pendidihan atau kondensasi.

2. Metode NTU-Efektivitas

Pendekatan LMTD dalam analisis penukar kalor berguna bila suhu masuk

dan suhu keluar diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah, sehingga LMTD

dapat dengan mudah dihitung, dan aliran kalor, luas permukaan, dan koefisien

perpindahan kalor menyeluruh dapat ditentukan. Bila kita harus menentukan suhu

masuk atau suhu keluar, analisis kita akan melibatkan prosedur iterasi karena

LMTD itu suatu fungsi logaritma. Dalam hal demikian, analisis akan lebih mudah

dilaksanakan dengan menggunakan metode yang berdasarkan atas efektivitas

penukar-kalor dalam memindahkan sejumlah kalor tertentu. Metode efektivitas ini

juga mempunyai beberapa keuntungan untuk menganalisis soal-soal di mana kita

harus membandingkan berbagai jenis penukar kalor guna memilh jenis yang

terbaik untuk melaksanakan sesuatu tugas pemindahan kalor tertentu.

Efektivitas penukar-kalor (heat exchanger effectiveness) didefinisikan

sebagai berikut:

(1.15)

untuk penukar kalor aliran searah, persamaan ini dapat diturunkan menjadi:

(1.16)

untuk penukar kalor aliran lawan arah:

(1.17)

16 |


dengan cmC , dinamakan laju kapasitas. Subskrib min dan max menunjukkan

aliran yang mempunyai cmC minimum dan cm maksimum. Kelompok suku

min/ CUA disebut jumlah satuan perpindahan (number of transfer unit = NTU) karena

memberi petunjuk tentang ukuran penukar-kalor.

Meskipun bagan-bagan efektivitas NTU sangat bermanfaat dalam soal

merancang alat penukar kalor, ada pula penerapan lain yang memerlukan ketelitian

yang lebih tinggi dari yang biasa didapatkan dari grafik. Selain itu, prosedur

merancang mungkin banyak menggunakan komputer, yang memerlukan adanya

persamaan analitis untuk kurva-kurva itu. Persamaan-persamaan efektivitas

dirangkum dalam daftar di lampiran. Dalam banyak hal, tujuan analisis ialah untuk

menentukan NTU dan untuk itu dapat dibuat suatu persamaan eksplisit untuk NTU

dengan menggunakan efektivitas dan perbandingan kapasitas.

I.2.6. Efisiensi Alat Penukar Kalor

Pendekatan LMTD dalam analisis penukar kalor berguna bila suhu masuk

dan suhu keluar diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah, sehingga LMTD

dapat dengan mudah dihitung, dan aliran kalor, luas permukaan, dan koefisien

perpindahan kalor menyeluruh dapat ditentukan. Namun, pada kondisi dimana hanya

suhu masuk atau suhu keluar yang diketahui, maka dapat digunakan metode lain

yakni metode NTU yang merupakan salah satu metode analisis pada alat penukar

kalor berdasarkan pada efektivitas jumlah kalor yang dapat dipindahkan antar fluida.

Efektivitas penukar kalor dapat dirumuskan sebagai berikut :

mungkinyangmaksimumkalornperpindaha

nyatakalornperpindaha

Perpindahan kalor yang sebenarnya dapat dihitung dari energi yang dilepaskan

oleh fluida panas (subscript h) atau energi yang diterima oleh fluida dingin

(subscript c). Untuk penukar kalor aliran sejajar, kalor tersebut dapat dinyatakan

dengan:

1221 cccchhhhTTcmTTcmq

dan untuk penukar kalor aliran lawan arah:

(1.18)

(1.19)

17 |


2121 cccchhhhTTcmTTcmq

Besar perpindahan kalor maksimum dapat terjadi ketika fluida mengalami perubahan

suhu yang setara dengan perbedaan suhu maksimum antar fluida yaitu tepat saat

kedua fluida masuk ke dalam alat penukar panas. Perpindahan kalor maksimum akan

terjadi apabila fluida mempunyai nilai massa dikali dengan kalor jenis yang minimum.

Kalor maksimum dapat dinyatakan dengan:

masukcmasukhmaksTTmcq min

Dengan definisi tersebut, maka besar efektivitas dapat dinyatakan dengan:

Untuk penukar kalor aliran sejajar:

11

21

11

21

ch

hh

chhh

hhhhh

TT

TT

TTcm

TTcm

11

12

11

21

ch

cc

chcc

ccccc

TT

TT

TTcm

TTcm

Untuk penukar kalor aliran lawan arah:

21

21

21

21

ch

hh

chhh

hhhhh

TT

TT

TTcm

TTcm

21

21

21

21

ch

cc

chcc

ccccc

TT

TT

TTcm

TTcm

Secara umum efektivitas dapat dinyatakan sebagai:

T (fluida minimum)=

beda suhu maksimum di dalam penukar kalor

Setelah beberapa penurunan, maka didapat persamaan efisiensi:

maxmin

maxminmin

/1

)/1(/exp1

CC

CCCUA

(1.21)

(1.22)

(1.27)

(1.26)

(1.25)

(1.24)

(1.23)

(1.20)

18 |


Adapun untuk fluida dengan aliran lawan arah, hubungan efisiensinya:

)/1(/exp)/(1

)/1(/exp1

maxminminmaxmin

maxminmin

CCCUACC

CCCUA

Suku UA/Cmin inilah yang dikenal dengan jumlah satuan perpindahan atau NTU

(Number of Transfer Units) karena memberi petunjuk tentang ukuran alat penukar

kalor. Cmin merupakan nilai C terkecil antara Ch dan Cc, sedangkan Cmax merupakan

nilai yang terbes\ar.

Dengan menggunakan metode NTU-efektivitas ini akan didapat beberapa

manfaat. Diantaranya adalah memudahkan analisis dalam penyelesaian soal untuk

menentukan suhu masuk ataupun suhu keluar. Metode ini juga mempermudah dalam

menganalisa soal yang membandingkan berbagai jenis alat penukar kalor untuk

memilih yang terbaik dalam melaksanakan suatu tugas pemindahan kalor tertentu.

I.2.7. Koefisien perpindahan kalor keseluruhan

Koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U) terdiri dari dua macam yaitu:

1. UC adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor

masih baru

2. UD adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor

sudah kotor.

Secara umum kedua koefisien itu dirumuskan sebagai:

I.2.8. Perpindahan Kalor pada Alat Penukar Kalor

(1.22)

(1.25)

(1.24)

(1.23)

(1.26)

19 |


dimana tm adalah suhu rata-rata log atau Log Mean Temperature Difference

(LMTD). Untuk shellandtubeheat exchanger, nilai LMTD harus dikoreksi dengan

faktor yang dicari dari grafik yang sesuai (Fig 18 s/d Fig 23 Kern). Caranya adalah

dengan menggunakan parameter R dan S.

Nilai LMTD dapat dihitung dengan ketentuan sebagai berikut :

a. Bila konstan pada aliran searah atau aliran berlawanan arah

Aliran Searah (cocurrent)

atau

Aliran Berlawanan Arah (countercurrent)

(1.27)

20 |


dan harga tm =FT.LMTD

b. Bila dinyatakan dalam UD maka persamaan LMTD berupa persamaan implisit:

Nilai LMTD yang diperoleh ini harus dikoreksi dengan faktor FT yang dicari dari

grafik yang sesuai. Caranya yaitu dengan menggunakan parameter R dan S.

(1.29)

(1.28)

(1.30)

21 |


BAB II

PROSEDUR DAN PERALATAN PERCOBAAN

II.1. Peralatan Percobaan

Skema alat percobaan berupa ditunjukkan oleh Gambar 2.1 di bawah ini:

Gambar 2.1. Double Pipe Heat Exchanger

Heat Exchanger

Double Pipe Heat Eexchanger adalah alat yang didisain untuk mempelajari dan

mengevaluasi pengaruh perbedaan laju alir dan material teknik pada laju transfer panas

melalui dinding tipis.

Pengaturan Pipa

Alat ini terdiri atas dua pipa logam berdinding tipis yang tersusun dalam suatu panel

vertikal. Pipa dapat beroperasi dengan baik pada aliran searah maupun berlawanan.

Dalam percobaan ini kami melakukan pengaturan untuk aliran searah. Setiap pipa

terdiri dari sebuah pipa tembaga luar dan dalam. Fluida panas mengalir melalui pipa

bagian dalam, sedangkan fluida dingin mengalir melalui annulus, yakni antara pipa luar

dan dalam.

Sambungan (Fitting)

Heat exchanger mempunyai sambungan pipa standar yang terletak sepanjang siku yang

paling rendah dari panel. Tiga sambungan masuk dialokasikan di sebelah kanan panel.

22 |


Valves

Valve digunakan untuk mengatur kondisi aliran yang diinginkan dan untuk mengatur

laju alir dari fluida.

Termometer

Digunakan untuk mengukur suhu steam yang masuk dan keluar pipa serta mengukur

suhu air yang masuk dan keluar pipa. Terdapat pengukur referensi di tengah antara

thermometer masuk dan keluar, hal ini bertujuan untuk membandingkan apakah suhu

aliran sudah stabil atau belum.

II.2. Prosedur Percobaan

II.2.1. Percobaan Aliran Searah (cocurrent)

1. Aliran steam: membuka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 1, 8, 10,

12, 13.

2. Aliran air: membuka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 4, 6 dan

buka kran 14 sebanyak 1/5 putaran.

3. Mengamati dan mencatat T3, T4, T2, T1 setelah suhu tersebut konstan.

4. Mengamati dan mencatat kecepatan alir air pada flowmeter.

5. Dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch, mengukur laju uap air, dengan

mengukur kondensat yang terjadi.

6. Melakukan percobaan ini untuk 3 macam bukaan kran 14.

II.2.2. Percobaan Aliran Berlawanan (countercurrent)

1. Aliran steam: membuka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 1, 8, 11,

9, 13.

2. Aliran air: membuka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 4, 6 dan

buka kran 14 sebanyak 1/5 putaran.

3. Mengamati dan mencatat T3, T5, T2, T1 setelah suhu tersebut konstan.

4. Mengamati dan mencatat kecepatan alir air pada flowmeter.

5. Dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch, mengukur laju uap air, dengan

mengukur kondensat yang terjadi.

6. Melakukan percobaan ini untuk 3 macam bukaan kran 14.

23 |


BAB III

PENGOLAHAN DATA

III.1. Data Pengamatan

Di (pipa) = 0.014 m

Do (annulus) = 0.025 m

L = 2.05 m

Tabel 3.1 Data Percobaan Aliran Searah

Bukaan

Valve

Suhu Air

(

Suhu Steam

( Volume

Air (ml/5s)

Rata-rata

(ml/s)

Volume

Kondensat

(ml/s)

Rata-rata

(ml/s) h1 h2 c1 c2

0.2 35 45 93 44

400

80

12

3,06 400 15

400 19

0.4 35 40 93 42

520

106.67

12

2.8 540 14

540 16

0.6 33 37 93 38

660

134

12

2.46 650 14

700 11

0.8 32 35 93 36

920

182.6

16

2,8 920 12

900 14

1 32 34 93 34

1200

233.334

13

2.334 1160 11

1140 11

III.2. Pengolahan Data

III.2.1. Perhitungan LMTD

Untuk LMTD Aliran searah, berikut adalah persamaannya:

(3.1)

24 |


Tabel 3.2. Perhitungan LMTD aliran searah

Th1-

Tc2

Th2-

Tc1 (Th1-Tc2)-(Th2-Tc1) (th1-tc2)/(th2-tc1) ln ((th1-tc2)/(th2-tc1))

LMTD

(

48 9 39 5,33 1,67 23,30

53 7 46 7,57 2,02 22,72

56 5 51 11,20 2,42 21,11

58 4 54 14,50 2,67 20,19

59 2 57 29,50 3,38 16,84

III.2.1. Perhitungan Suhu Keluar Steam (Th2) dari persamaan LMTD

Pada perhitungan nilai Th2 secara teori dilakukan dengan menggunakan persamaan 1

dengan memasukkan nilai LMTD yang telah dihitung untuk bukaan valve sebesar 1.

LMTD Th1 Tc1 Tc2 Th2

16,84203 93 32 34 ?

Kedua ruas diturunkan sehingga,

Dengan cara yang sama, dihitung nilai dengan memasukkan nilai LMTD yang didapat dari

perhitungan sebelumnya untuk bukaan valve: 0,4; 0,6; 0,8 dan 1. Didapat nilainya yang

disajikan pada tabel 3.3.

25 |


Tabel 3.3. Perhitungan Suhu keluaran steam secara teori (menggunakan nilai LMTD)

Bukaan valve LMTD Th1 Th2 Tc1 Tc2 Th2 teori

0,2 23,29782 93 44 35 45 32,9

0,4 22,72299 93 42 35 40 32,6

0,6 21,11002 93 38 33 37 30,3

0,8 20,19334 93 36 32 35 29,1

1 16,84203 93 34 32 34 28,5

III.2.2. Perhitungan nilai hi dan ho

III.2.2.1 Menentukan nilai hi

Penentuan nilai hi dilakukan dengan meninjau uap air sebagai fluida kerja.

Sebelum menghitung nilai hi , lebih dahulu dicari sifat fisik dari uap air pada suhu

rata-rata dari suhu masuk dan suhu keluar steam. Kemudian, dilakukan

perhitungan untuk mencari nilai bilangan Reynold berdasarkan rumus:

(3.2)

Dengan nilai Dh atau diameter hidraulik adalah:

(3.3)

Dari hasil perhitungan bilangan Reynold diketahui bahwa jenis aliran adalah

laminer, untuk itu dilakukan perhitungan bilangan Nusselt dengan rumus sebagai

berikut:

(3.4)

Dengan nilai diameter ekuivalen (De) adalah sebagai berikut:

(3.5)

Dari hasil bilangan Nusselt yang diperoleh, dilakukan perhitungan untuk

menhitung nilai hi dengan rumus sebagai berikut:

(3.6)

26 |


III.2.2.2. Menentukan nilai ho

Langkah-langkah yang dilakukan sama seperti diatas, hanya saja terdapat

perbedaan ketika menghitung nilai bilangan Reynold. Perhitungan bilangan

Reynold dipengaruhi oleh nilai diameter hidrolik. Air mengalir di dalam anulus,

sehingga perhitungan diameter hidroliknya menjadi:

(3.7)

(3.8)

Kemudian, terlihat dari hasil perhitungan bilangan Reynold, jenis aliran air adalah

turbulen. Karenanya, perhitungan untuk bilangan Nusselt dilakukan dengan rumus

berikut:

(3.9)

Setelah mendapatkan nilai Nu barulah kita mencari nilai ho dengan rumus berikut

ho = NuD . k/D (3.10)

27 |


Tabel 3.4. Hasil Perhitungan Nilai Re, Nu, hi Steam Pada Aliran Searah

valve Tavg Q V (m/s) Re K Pr Ho Hi

0.2

water (c) 40 992.44 0.00008 0.0008 0.0006424 387.882 0.6342 4.236 105.94

stream (h) 68.5 979.06 3.06667E-06 0.000031 0.000415 22.706 0.662 2.64

82.83

0.4

water (c) 37.5 995.00 0.000106667 0.0011 0.00076 438.276 0.62335 5.1 121.39

stream (h) 67.5 978.35 0.0000028 0.000028 0.000411 20.918 0.663 2.6

80.56

0.6

water (c) 35 993.95 0.00013 0.0013 0.0007235 560.506 0.626 4.825 145.97

stream (h) 65.5 980.3 2.46667E-06 0.000025 0.00043 17.649 0.659 2.73

77.22

0.8

water (c) 33.5 993.43 0.000182667 0.0018 0.000701 812.437 0.627 4.67 194.84

stream (h) 64.5 982.73 0.0000028 0.000028 0.0004632 18.644 0.6549 2.957

79.90

1

water (c) 32.5 993.09 0.000233333 0.0024 0.000686 1060.114 0.628 4.56 239.73

stream (h) 63.5 982.19 2.33333E-06 0.000024 0.000456 15.773 0.656 2.907

75.74

Nilai didapat dari interpolasi Appendix A-9 di buku Heat Transfer, 10th Edition karangan J.P. Holman.

28 |


III.2.2.3 Menentukan Uc dan Ud

Dengan asumsi bahwa seluruh panas berpindah dari steam ke air tanpa ada

yang terlepas ke lingkungan, maka nilai kalor yang dilepaskan oleh steam akan

sama dengan nilai kalor yang diterima oleh air. Rumus yang dapat digunakan

dalam perhitungan kalor tersebut adalah:

(3.11)

(3.12)

Dengan nilai Cp = 4,2 kJ/kg.K. Nilai q yang positif yang diperoleh dari hasil

perhitungan menandakan kalor yang diterima dari steam oleh air.

Tabel 3.5. Hasil Perhitungan Kalor yang Diserap Oleh Air

Aliran Air T

(K)

(kg/m3)

Q

(m3/s)

q

(kJ) In Out

Searah

35 45 10 1000 0.00008 3.36

35 40 5 1000 0.000106667 2.240007

33 37 4 1000 0.00013 2.184

32 35 3 1000 0.000182667 2.3016042

32 34 2 1000 0.000233333 1.9599972

Kemudian dihitung nilai UC atau koefisien perpindahan panas menyeluruh

dalam kondisi pipa bersih:

(3.13)

Tabel 3.6. Hasil Perhitungan Ai, Ao dan ln (ro/ri)

Ai = .Di.L ln (ro/ri) Ao = .Do.L

0.045059 0.579 0.0804625

Tabel 3.7. Hasil Perhitungan Uc

valve 1/hi Ai ln (ro/ri) 2 .k.L (Ai/Ao)*(1/ho) UC

0.2 0.01207294 0.026089161 4.261294 0.005286 42.58709066

0.4 0.01241171 0.026089161 4.267731 0.004613169 43.21893709

0.6 0.01294929 0.026089161 4.241983 0.003836296 43.59993593

0.8 0.0125142 0.026089161 4.2155913 0.002874125 46.34553277

1 0.01320325 0.026089161 4.222672 0.00233598 46.04563763

29 |


Tabel 3.8. Tabel bilangan Reynold dan Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh Bersih

Re Uc

387.882 42.587

438.276 43.219

560.506 43.600

812.437 46.346

1060.114 46.046

Gambar 3.1. Grafik hubungan antara Re dan Uc

Selanjutnya, dilakukan perhitungan untuk Ud sebagai berikut:

(3.14)

Tabel 3.9. Hasil Perhitungan Ud

q (kJ) A (m2) LMTD Ud

3.36 0.0804625 23,30 1.792213871

2.240007 0.0804625 22,72 1.225314369

2.184 0.0804625 21,11 1.285792472 2.3016042 0.0804625 20,19 1.416774724

1.9599972 0.0804625 16,84 1.446504675

42.000

42.500

43.000

43.500

44.000

44.500

45.000

45.500

46.000

46.500

47.000

0 200 400 600 800 1000 1200

Uc

Re

Re Vs Uc

30 |


III.2.2.4 Menentukan Rd

Fouling Factor atau Rd dengan rumus sebagai berikut:

(3.15)

Hasil yang diperoleh adalah sebagai berikut:

Tabel 3.11. Hasil Perhitungan Rd

1.792213871 42.58709066 0.534

1.225314369 43.21893709 0.793

1.285792472 43.59993593 0.754

1.416774724 46.34553277 0.684

1.446504675 46.04563763 0.670

Berikut adalah tabel Rd dan Re:

Tabel 3.11. Hasil Perhitungan Rd

Re

387.882 0.534

438.276 0.793

560.506 0.754

812.437 0.684

1060.114 0.670

Gambar 3.1. Grafik hubungan antara Re dan Rd

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 200 400 600 800 1000 1200

Rd

Re

Re Vs Rd

31 |


III.2.2.5 Menentukan nilai efektifitas

Penentuan nilai efektifitas dilakukan dengan rumus:

(3.16)

Fluida minimum yang dimaksud adalah fluida dengan hasil kali laju alir massa

dengan kalor jenis yang paling besar. Tanpa perlu melakukan perhitungan, dapat

dipastikan bahwa nilai m.Cp dari air jauh lebih besar lebih besar dari steam karena

beda densitas antara steam dan air sangat jauh. Maka ditetapkan air sebagai fluida

minimum.

(3.17)

(3.18)

Sehingga perhitungan efisiensi untuk tiap laju alir menjadi:

Tabel 3.12. Hasil Perhitungan Efisiensi Heat Exchanger

Aliran

Perhitungan Suhu (0C)

Steam Air Tfluida min

T max In Out In Out

Searah

93 44 35 45 10 58 0.172

93 42 35 40 5 58 0.086

93 38 33 37 4 60 0.0667

93 36 32 35 3 61 0,049

93 34 32 34 2 61 0.0327

32 |


BAB IV

ANALISIS

IV.1. Analisis Percobaan

Percobaan ini bertujuan untuk mengetahui cara kerja alat penukar kalor jenis pipa

ganda (double pipe heat exchanger) dengan menghitung koefisien perpindahan panas,

faktor kekotoran, efisiensi, dan perbandingannya untuk aliran searah dan berlawanan

arah. Perpindahan kalor yang terjadi pada alat ini bersifat tidak langsung, artinya kalor

berpindah dari fluida satu ke fluida lainnya melalui sebuah dinding pembatas yang

menjaga agar kedua fluida tidak bercampur.

Fluida yang digunakan pada praktikum ini adalah air. Alasan pemilihan air adalah

ia tergolong fluida yang banyak diketahui data-data propertisnya dalam literatur, produk

keluaran tidak mencemari lingkungan, serta lebih ekonomis dibandingkan bahan kimia

lain.

Alat double pipe heat exchanger terdiri dari dua pipa, yaitu pusat tabung dan pipa

anulus. Air sebagai fluida pendingin mengalir melalui pipa anulus, sedangkan steam

sebagai fluida pemanas mengalir pada pusat tabung (pipa kecil). Penempatan ini

dilakukan karena steam memiliki tekanan yang lebih tinggi sehingga menjaga agar alat

tidak cepat rusak akibat tekanan tinggi. Selain itu, kalor steam akan memanaskan air

dalam pipa anulus terlebih dahulu sebelum berpindah ke lingkungan sehingga

menghindari terbuangnya kalor ke lingkungan karena peristiwa konveksi alami,

mengingat pemanasan air menjadi steam membutuhkan energi yang besar. Apabila steam

diletakkan di dalam pipa anulus, maka volume air yang dipanaskan dalam heater

menjadi lebih besar sehingga energi yang dibutuhkan juga lebih banyak (hubungannya

dengan biaya).

Percobaan Aliran Searah

Percobaan diawali dengan membuka penuh aliran steam di valve 1, 8, 10, 12, 13

dan aliran air di valve 4, 6, serta membuka kran sumber air sebesar 1/5 putaran. Hal ini

dilakukan agar aliran steam dan air dalam alat penukar kalor memiliki arah yang sama

(cocurrent). Suhu untuk steam masuk dan keluar serta air masuk dan keluar diukur pada

T3, T4, T2 dan T1 setelah suhu tersebut konstan. Data suhu akan digunakan untuk

menghitung koefisien perpindahan panas konveksi (h). Volume air dan kondensat yang

keluar diukur dalam rentang 5 detik, lalu melakukan variasi bukaan valve sebanyak 5 kali

untuk mengetahui pengaruh perbedaan laju alir air.

33 |


Percobaan Aliran Berlawanan

Untuk percobaan aliran berlawanan (countercurrent), aliran steam dibuka penuh

pada valve 1, 8, 11, 9, 13 dan aliran air di valve 4, 6, serta membuka kran sumber air

sebesar 1/5 putaran. Hal ini dilakukan agar aliran steam dan air dalam alat penukar kalor

memiliki arah yang berlawanan. Suhu untuk steam masuk dan keluar serta air masuk dan

keluar diukur pada T3, T5, T2 dan T1 setelah suhu tersebut konstan. Selanjutnya

melakukan variasi bukaan valve sebanyak 5 kali untuk mengetahui pengaruh perbedaan

laju alir air.

Secara teori, semakin besar bukaan valve akan menyebabkan laju alir massa

semakin besar sehingga akan semakin banyak kalor yang berpindah. Namun, kesimpulan

sementara dari percobaan ini adalah bahwa lamanya kontak permukaan menentukan

besarnya perpindahan kalor yang terjadi. Variasi jenis aliran (cocurrent atau

countercurrent) dilakukan untuk mengetahui pengaruh kedua jenis aliran terhadap

peristiwa perpindahan kalor.

IV.1. Analisis Data dan Hasil

IV1.1. Perhitungan LMTD

Hasil dari perhitungan nilai perbedaan suhu rata-rata atau Logarithmic Mean

Temperature Difference dapat dilihat pada tabel 3.2. Perbedaan suhu ini digunakan

sebagai petunjuk nilai suhu fluida panas maupun fluida dingin yang keluar heat

exchanger. Pada hasil perhitungan data yang telah dilakukan, semakin besar bukaan

valve maka trend nilai LMTD semakin kecil. Nilai LMTD terbesar didapat ketika valve

dibuka sebesar 0.2. Hal tersebut dikarenakan jika valve semakin terbuka maka laju alir

fluida dingin akan semakin besar. Jika laju alir fluida dingin semakin besar maka

penurunan suhu fluida panas akan semakin tinggi sehingga nilai Th2 (suhu keluaran

steam) akan semakin kecil pula. Dapat dilihat pada persamaan 1 jika nilai Th2 semakin

kecil maka nilai LMTD akan semakin kecil dengan nilai koefisien yang lain tetap.

Berdasarkan teori semakin besar nilai LMTD maka semakin besar pula jumlah

kalor yang berpindah. Berdasarkan hasil pengolahan data didapat nilai LMTD terbesar

adalah pada laju alir fluida dingin yang paling kecil. Maka apabila kita menginginkan

jumlah kalor yang berpindah dari fluida panas ke fluida dingin paling besar maka kita

pilih laju alir fluida dingin yang paling kecil. Hal tersebut terjadi dikarenakan prinsip

perpindahan panas. Pada sistem heat exchanger aliran searah ini menerapkan prinsip

perpindahan panas secara konveksi paksa.

34 |


Hasil menjelaskan bahwa laju alir fluida dingin yang kecil atau lebih lambat akan

menghasilkan perpindahan panas yang lebih besar. Analisis kami adalah bahwa apabila

kontak antara fluida dingin dengan fluida panas yang terjadi semakin lama (karena air

mengalir lebih lambat) maka molekul-molekul dari steam melakukan kontak dengan

molekul air lebih sering, sehingga panas dari steam berpindah ke air akan lebih banyak.

Analisis berikutnya adalah berdasarkn teori perpindahan panas secara konveksi paksa

dalam aliran baik laminer dan turbulen. Pada perpindahan panas konveksi secara paksa

besar kalor yang berpindah ditentukan oleh koefisien perpindahan kalor konveksi yang

dimiliki oleh kedua fluida. Untuk aliran yang memiliki laju alir lebih rendah (laminer)

perhitungan nilai koefisiennya berbeda dengan nilai koefisien dengan laju alir lebih

tinggi (turbulen). Koefisien perpindahan panas fluida yang sama dengan laju alir lebih

rendah akan lebih kecil dibandingkan dengan koefisien laju alir yang lebih tinggi. Selain

itu koefisien perpindahan panas fluida dengan densitas lebih besar akan lebih tinggi

nilainya dibandingkan dengan koefisien perpindahan panas fluida dengan densitas lebih

kecil. Sehingga dalam hal ini laju alir fluida dingin (air) sangat menentukan perpindahan

panas dalam sistem, yang akhirnya akan menentukan nilai LMTD nya juga.

Dari hasil perhitungan didapat nilai suhu keluar steam teori berbeda dengan hasil

dari percobaan. Hasil perhitungan secara teoritis nilai adalah sebesar 35,38oC

sedangkan pada percobaan didapat nilai sebesar 34 o

C. Menurut analisis kami hal tersebut

dapat terjadi karena beberapa faktor. Faktor yang pertama adalah dimungkinkan aliran steam

yang bekerja tidak stabil atau mengalami fluktuasi kecepatan sehingga dapat memepengaruhi

proses dalam sistem penukar kalor. Fluktuasi tersebut dapat dipengaruhi oleh beberapa hal, salah

satunya adalah daya yang besarnya tidak selalu sama yang bekerja pada mesin pengalir steam.

Faktor kedua, perhitungan secara teoritis diperlukan faktor koreksi untuk memasukkan pengaruh-

pengaruh yang terjadi dalam sistem. Pengaruh-pengaruh tersebut dapat berupa pengaruh pintu

masuk, perubahan konduktivitas termal dan sebagainya.

IV1.2. Perhitungan Uc dan Ud , Rd dan

Merujuk pada data yang telah diamati dan diolah, kita dapat melihat sebuah

kecenderungan bahwa bahwa semakin tinggi aliran air, suhu steam keluaran akan

semakin kecil hal ini disebabkan karena makin banyak kalor yang dibutuhkan untuk

memanaskan air dalam pipa, yang berakibat pada makin berkurangnya suhu steam. Hal

ini juga mempengaruhi nilai hi dan h0. Nilai h1 dan h0 sangat dipengaruhi oleh jenis

aliran (terlihat dari bilangan Reynold) dan sifat-sifat thermal fluida tersebut, jadi

35 |


perubahan aliran yang mengakibatkan perubahan suhu akan mengakibatkan perubahan

pada h1 dan h0. Jika dilihat berdasarkan persamaan, bilangan Reynold sangat dipengaruhi

oleh laju alir. Semakin besar laju alirnya maka semakin besar nilai bilangan Reynoldnya.

Begitu juga yang terjadi dalam percobaan. Sehingga secara tidak langsung, nilai hi

dipengaruhi oleh laju alir fluida. Dimana hi dengan laju alir akan berbanding lurus.

Nilai Uc berbanding lurus dengan hi dan ho. Dan berdasarkan data hasil

perhitungan, semakin tinggi nilai hi dan ho, maka nilai Uc juga akan semakin besar.

Dengan kata lain, percobaan dengan teori memiliki kesamaan. Nilai Uc tidak hanya

dipengaruhi oleh nilai hi dan ho, secara tidak langsung, nilai Uc juga dipengaruhi faktor-

faktor yang mempengaruhi hi dan ho, yaitu sifat termal fluida, dan jenis aliran.

Dari perhitungan tersebut, terlihat bahwa steam dan water mengalir dalam aliran

laminar, hal ini terlihat dari nilai Re steam yang dibawah 2100. Akan tetapi walaupun

seluruh aliran yang terjadi cenderung laminar, tapi semakin besar bukaan valve aliran

yang terbentuk nilai Reynoldnya juga semakin besar. Dari gambar 3.1, dapat dilihat

grafik bahwa semakin besar nilai bilangan Reynoldnya maka semakin besar pula nilai

koefisien perpindahan panasnya (Uc). Hal ini menunjukan bahwa semakin turbulen

(cepat) alirannya, akibat bilangan reynold yang semakin meningkat karena kecepatan

aliran yang meningkat pula maka perpindahan panasnya pun akan lebih baik, hal ini

ditunjukkan dari nilai koefisien perpindahan panas yang semakin besar. Nilai Uc

menunjukan koefisien perpindahan panas saat HE dalam kondisi bersih. Efek dari kita

mengetahui hal ini adalah kita bisa menjadikan basis Uc sebagai dasar untuk

dibandingkan dengan nilai Ud, dan apakah nilai alat kita sudah sangat kotor sehingga

terjadi terjadi penurunan efisiensi alat dan kita harus segera membersihkan atau

mengganti alatnya.

Dari hasil perhitungan Ud atau koefisien perindahan kalor menyeluruh dalam

keadaan kotor, bisa dilihat hasilnya lebih rendah dibandingkan nilai Uc. Hal ini terjadi

karena memang perhitungan koefisien perpindahan ini didapat dari data perhitungan

eksperimental dimana mungkin kondisi HE nya pun sudah dalam keadaan tidak baik atau

sudah mengalami penurunan kinerja akibat penempelan fouling dan faktor penghambat

lainnya. Bisa dibilang Uc itu koefisien HE dalam keadaan bersih atau seperti alat baru

yang belum ada faktor pengotor apapun. Uc dihitung berdasarkan persamaan teoritis.

Semakin jauh perbedaan antara Uc dan Ud, maka semakin menunjukan perbedaan

performa transfer panas yang terjadi pada alat yang mana apabila nilai U nya kecil maka

proses trandser panasnya pun kecil. Untuk data Ud yang didapatkan agak sedikit

36 |


mengalami penyimpangan dari yang seharusnya. Harusnya datanya membentuk

hubungan linear yang baik. Hal ini karena perhitungan energi (q) membutuhkan data

debit atau volume air dan dalam percobaan perhitungan volume air yang didapatkan

tidak konstan karena dipengaruhi beberapa hal. Grafik hubungan antara Re dengan Rd

seperti yang terlihat pada gambar 3.2.

Faktor kekotoran berkisar antara 0,53-0,79 dengan faktor kekotoran terbesar terjadi

pada bukaan valve sebesar 0,4. Secara umum, faktor kekotoran pada variasi besarnya

bukaan valve cenderung konstan karena perbedaannya tidak terlalu besar. Jika dirata-rata

maka faktor kekotorannya sebesar 0,687. Jika dilihat dari hasil ini, terlihat bahwa nilai

faktor kekotoran dari alat yang digunakan sangat besar, hal ini menunjukan bahwa

banyak zat fouling pada alat yang digunakan. Atau kemungkinan kedua adalah kesalahan

praktikan dalam melakukan pengamatan dan pengolahan data. Apabila benar terjadi nilai

Rd maka alat tersebut seharusnya sudah tidak layak digunakan sebagai alat penukar kalor

atau membersihkan alat tersebut dari segala macam faktor yang mempengaruhi supaya

alat tersebut menjadi baik kembali dalam menjalankan fungsinya. Efisiensi maksimum

terjadi saat bukaan valve sebesar 0,2, nilai efisiensi sebesar 25,76%. Nilai efisiensi

cenderung menurun seiring dengan berjalannya waktu dan tidak terlalu besar terhadap

besarnya bukaan valve. Hal ini disebabkan pula karena bilangan reynold yang terjadi

pada aliran. Besarnya bilangan reynold juga mempengaruhi nilai efisiensi. Pada valve

sebesar 0,2 efisiensinya besar juga karena Re terbesar ada pada bukaan valve tersebut,

yitu 0.793.

IV1.3. Perbandingan dengan aliran berlawanan arah (conter-current)

Untuk perbandingan LMTD arus searah dengan berlawanan arah Hasil

perhitungan menunjukkan bahwa nilai yang ditunjukkan aliran secara searah dengan

berlawanan memiliki trend yang sama yaitu semakin besar bukaan valve (semakin tinggi

laju alir) maka nilai LMTD semkin kecil. Walaupun pada aliran berlawanan arah

nilainya pada beberapa aliran terjadi fluktuasi. Jika dibandingkan, nilai LMTD aliran

berlawanan arah lebih besar dibandingkan dengan nilai aliran searah. Hal ini sama

artinya nilai suhu keluaran steam lebih kecil dan nilai aliran kondensat lebih besar. Hal

tersebut dapat terjadi karena driving force pada aliran searah lebih kecil dibandingkan

pada aliran berlawanan arah.

37 |


Tabel 4.1. Perhitungan LMTD aliran berlawanan arah

Bukaan

Valve 0.2 0.4 0.6 0.8 1

LMTD 26,954 17,312 15,365 19,576 15,148

Fenomena ini terjadi karena pada aliran searah, di bagian inlet terdapat aliran

steam masuk dan aliran air masuk. Di bagian ini, terdapat perbedaan suhu yang paling

besar sehingga driving force untuk terjadinya perpindahan kalor pun besar. Namun,

setelah itu aliran steam akan mengalir dan bertemu dengan air yang telah dipanaskan,

menyebabkan driving force untuk terjadinya perpindahan kalor semakin kecil. Sementara

itu, pada aliran berlawanan arah, di bagian inlet terdapat aliran steam masuk dan aliran

air keluar. Di bagian ini, perbedaan suhu yang terjadi tidak terlalu besar, sehingga

driving force terjadinya perpindahan panas pun tidak besar. Namun, setelah itu aliran

steam akan mengalir bertemu dengan aliran air yang lebih dingin, sehingga driving force

perpindahan kalor yang terjadi lebih besar jika dibandingkan dengan driving force pada

aliran searah.

Tabel 4.2. Data keluaran suhu pada aliran berlawanan arah

Bukaan Steam Air

T1 T2 t1 t2

1/5 96 32 27 61

2/5 97 32 27 64

3/5 96 30 27 60

4/5 96 30 26 42

5/5 97 30 27 39

Bisa dilihat untuk aliran berlawanan arah, kenaikan suhu air akibat kalor dari

steam cukup tinggi dibandingkan dengan aliran searah. Pada aliran searah terjadi sangat

kecil penaikan suhu air. Hal ini menunjukan kalor yang berpindah dari steam ke air

kurang efektif pada aliran searah. Suhu masukan antara fluida panas dan dingin pada

38 |


fluida searah. Berikut adalah profil perubahan suhu terhadap waktu pada kedua tipe

aliran.

Gambar 4.1. (a) Parallel flow, (b) Counter flow pada double-pipe HE


ed.)

Tabel 4.2. Perbandingan Data Ud, Uc, dan Rd aliran berlawanan arah dan aliran searah

Bukaan Aliran berlawanan arah Aliran searah

Ud Uc Rd

1/5 2,621 487,2351 0,379 1.792213871 42.58709066 0.534

2/5 3,267 586,1566 0,304 1.225314369 43.21893709 0.793

3/5 2,955 591,7924 0,337 1.285792472 43.59993593 0.754

4/5 2,218 674,5351 0,449 1.416774724 46.34553277 0.684

5/5 2,613 732,5733 0,381 1.446504675 46.04563763 0.670

Dari tabel diatas didadapatkan bahwa nilai Rd percobaan ini untuk aliran

berlawanan arah berkisar antara 0.304-0.449 sedangkan pada aliran searah berkisar antara

0.534-0.793. Hal ini menunnjukan bawa nilai Rd pada aliran searah lebih besar dan nilai

koefisien perpindahan kalor menyeluruh pada aliran berlawanan arah lebih besar dibanding

pada aliran searah. Hal ini dikarenakan beberapa hal diantaranya ada kaitannya dengan profil

perubahan suhu yang terjadi.

IV.1. Analisis Kesalahan

Dalam analisis hasil yang tidak sesuai dengan teori yang seharusnya ini, mungkin

disebabkan karena beberapa hal saat praktikum terjadi, hal-hal tersebut adalah:

1) Kesalahan adalah antara lain kesalahan ketika melihat atau mengukur suhu dan

volum air.

2) Kesalahan pada saat menghitung debit air dan kondensat dapat terjadi yang

disebabkan oleh ketidaktepatan dalam perhitungan waktu dan pengukuran volume

air/steam.

39 |


3) Pada saat mengukur suhu kondensat menggunakan termometer, kesalahan dapat

terjadi karena pengukuran yang tidak dilakukan secara langsung melainkan

menunggu beberapa saat karena penggunaan thermometer yang bergantian sehingga

memungkinkan terjadi transfer panas ke udara.

4) Kesalahan pengamatan suhu yang terukur pada pengukur suhu yang terdapat pada

HE dapat terjadi karena suhu diamati ketika belum mencapai kondisi stabil sehingga

masih mungkin untuk berubah.

5) Tidak stabilnya laju alir steam yang masuk dari alat penyedia steam sehingga

menyebabkan fluktuasi volume kondensat steam yang keluar sehingga

mempengaruhi perhitungan energi panas yang berpindah.

40 |


BAB V

KESIMPULAN

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan beberapa hal seperti:

1. Faktor yang mempengaruhi proses perpindahan panas pada double pipe heat exchanger,

diantaranya adalah koefisien perpindahan panas, jenis aliran fluida, beda temperature

rata-rata, luas permukaan perpindahan kalor, faktor kekotoran, dan arah aliran (searah

atau berlawan arah).

2. Semakin besar laju alir air dengan kondisi laju alir steam tetap, maka semakin kecil

perpindahan panas yang terjadi untuk menaikkan suhu air.

3. Semakin besar beda temperatur antara fluida pendingin dan fluida pemanas akan

mempercepat proses perpindahan panas sehingga lebih banyak panas yang dipindahkan

serta meningkatkan efisiensi heat exchanger.

4. Faktor kekotoran dapat menghambat proses perpindahan panas karena memperkecil

koefisien perpindahan panas menyeluruh.

5. Aliran counter current lebih efektif daripada aliran co current. Perpindahan panas yang

terjadi pada aliran berlawanan lebih menyeluruh, fluida panas dan fluida dingin saling

bertukar panas pada titik-titik yang memiliki perbedaan suhu yang besar sehingga jarak

suhu steam dan air keluar cukup dekat.

6. Laju alir fluida yang memasuki heat exchanger akan mempengaruhi koefisien

perpindahan panas sehingga mempengaruhi efektifitas heat exchanger. Laju alir yang

meningkat menyebabkan koefisien perpindahan kalor meningkat dan efektifitas heat

exchanger meningkat. laju air meningkat Re meningkat h0 dan hi meningkat Uc

meningkat Rd meningkat UD menurun LMTD meningkat meningkat. Jika

efektifitas HE baik, maka alat tersebut masih efektif untuk digunakan. Namun, jika yang

terjadi adalah yang sebaliknya, maka alat HE tersebut perlu dilakukan treatment

7. Efisiensi Heat Exchanger aliran searah pada percobaan ini masih rendah yakni di bawah

20%. Hal ini disebabkan oleh adanya fouling factor (faktor kekotoran) yang

menyebabkan efisiensi kerja Heat Exchanger rendah. Oleh karena itu, perlu dilakukan

pembersihan dan pemeilharaan Heat Exchanger agar efisiensinya meningkat.

41 |


DAFTAR PUSTAKA

Buku Panduan Praktikum Proses Operasi Teknik I. 1989. Teknik Gas dan Petrokimia UI.

Holman,J.P. 2002. Heat Transfer. New York: McGraw Hill International Company.

Incropera, Frank P., et.al. 2011. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. New Jersey: John

Wiley & Sons, Inc.

Kern,D.Q. 1981. Process Heat Transfer. New York: Mc-Graw Hill International Company.

Laporan He Kekompok 5

Documents

Transcript of Laporan He Kekompok 5