Laporan Heat Exchanger

51
LAPORAN PRAKTIKUM PROSES OPERASI TEKNIK HEAT EXCHANGER DISUSUN OLEH : GIHON ANDRE A. H. 0906553072 MIRADHA HERDINI W. 0906635646 NIDA ADILAH 0906635665 YUNI ELFANY F. 0906553135 DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSTAS INDONESIA DEPOK 2011

description

Perpindahan Kalor

Transcript of Laporan Heat Exchanger

Page 1: Laporan Heat Exchanger

LAPORAN PRAKTIKUM PROSES OPERASI TEKNIK

HEAT EXCHANGER

DISUSUN OLEH :

GIHON ANDRE A. H. 0906553072

MIRADHA HERDINI W. 0906635646

NIDA ADILAH 0906635665

YUNI ELFANY F. 0906553135

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSTAS INDONESIA

DEPOK 2011

Page 2: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

1

BAB I

PENDAHULUAN

A. Tujuan Percobaan

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.

B. Prosedur Percobaan

No. Prosedur Percobaan Keterangan

Percobaan Aliran Searah (co-current)

1. Membuka penuh semua aliran uap air (steam) secara

penuh secara berurutan

Valve yang dibuka secara

berurutan adalah valve 1,

8,10, 12 dan 13

2. Membuka penuh semua aliran air secara penuh dan

membuka kran 14 sebesar 1/5 putaran

Valve yang dibuka untuk

aliran air secara berurutan

adalah valve 5 dan valve 14

sebesar 1/5 putaran

3. Menunggu suhu steam (T4) yang masuk hingga konstan

atau sekitar 90-100oC

Menunggu suhu steam yang

masuk dibutuhkan waktu

sekitar 10 menit.

4. Setelah suhu steam mencapai sekitar 90-100oC,

mengukur volume air yang keluar dan volume

kondensat dengan menggunakan gelas ukur dan

stopwatch.

Waktu yang digunakan untuk

adalah 10 detik.

5. Mengamati dan mencatat suhu pada T1, T2, T3, T5, T6

selama mengambil data volume air yang keluar dan

volume kondensat.

Waktu yang digunakan untuk

mengamati adalah 10 detik.

6. Mengulangi percobaan dengan 5 variasi bukaan kran

14 yang berbeda.

Variasi bukaan kran 14

adalah 1/5, 2/5, 3/5, 4/5, 1

Percobaan Aliran Berlawanan (counter-current)

1. Membuka penuh semua aliran uap air (steam) secara

penuh secara berurutan

Valve yang dibuka secara

berurutan adalah valve 1, 8,

Page 3: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

2

11, 9 dan 13

2. Membuka penuh semua aliran air secara penuh dan

membuka kran 14 sebesar 1/5 putaran

Valve yang dibuka untuk

aliran air adalah valve 5 dan

valve 14 sebesar 1/5 putaran

3. Menunggu suhu steam (T5) yang masuk hingga konstan

atau sekitar 90-100oC

Menunggu suhu steam yang

masuk dibutuhkan waktu

sekitar 10 menit.

4. Setelah suhu steam mencapai sekitar 90-100oC,

mengukur volume air yang keluar dan volume

kondensat dengan menggunakan gelas ukur dan

stopwatch.

Waktu yang digunakan untuk

adalah 10 detik.

5. Mengamati dan mencatat suhu pada T1, T2, T3, T5, T6

selama mengambil data volume air yang keluar dan

volume kondensat.

Waktu yang digunakan untuk

mengamati adalah 10 detik.

6. Mengulangi percobaan dengan 5 variasi bukaan kran

14 yang berbeda.

Variasi bukaan kran 14

adalah 1/5, 2/5, 3/5, 4/5, 1

C. Data Hasil Percobaan

1. Percobaan aliran searah (co-current)

Bukaan Vair Vkondensat T1 T2 T3 T5 T6

0,2 600 30 84 45 37 48 51

0,4 760 31 84 46 37 47 50

0,6 1120 30 77 44 36 44 48

0,8 1420 26 66 41 35 41 46

1 1470 28 58 39 25 39 43

2. Percobaan aliran berlawanan (counter-current)

Bukaan Vair Vkondensat T1 T2 T3 T4 T6

0,2 515 28 92,5 34 28 68 42

0,4 880 32 90 33 28 62 38

0,6 1220 28 72 30 27 56 36

0,8 1310 28 60 29 27 50 34

1 1540 28 51 29 27 88 32

Diameter pipa kecil dalam Heat Exchanger = 0,014 m

Diameter pipa besar dalam Heat Exchanger = 0,025 m

Page 4: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

3

BAB II

DASAR TEORI

Heat exchanger merupakan sebuah alat penukar kalor antara dua fluida yang melewati

dua bidang batas. Bidang batas disini adalah dinding pipa yang terbuat dari berbagai jenis

logam bergantung dari jenis heat exchanger itu sendiri.

Perpindahan panas dapat terjadi di heat exchanger karena dua fluida yang masuk

kedalam heat exchanger memiliki temperatur yang berbeda baik secara langsung maupun

tidak langsung. Perpindahan panas secara langsung terjadi ketika dua fluida dengan suhu

yang berbeda mengalami kontak langsung tanpa adanya dinding pembatas. Perpindahan

panas terjadi pada bagian penghubung antara dua fluida. Contoh fluida yang mengalami

perpindahan panas secara langsung adalah dua jenis fluida yang tidak saling bercampur, dan

campuran gas-liquid. Dua fluida yang mengalami perpindahan panas secara tidak langsung

ketika dua fluida tersebut mengalir dengan dibatasi oleh dinding pemisah.

1. Jenis – jenis Heat exchanger

a. Berdasarkan konstruksi (bentuk)

Double-pipe Heat Exchanger

Heat exchanger ini 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.

Double pipe ini dapat digunakan untuk memanaskan atau mendinginkan fluida hasil

proses yang membutuhkan area perpindahan panas yang kecil (biasanya hanya

mencapai 50 m2).

Gambar 1. Double-pipe Heat Exchanger

Page 5: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

4

Shell and tube

Jenis ini terdiri dari shell yang didalamnya terdapat rangkaian pipa kecil yang

disebut tube bundle. Perpindahan panas terjadi antara fluida yang mengalir di dalam

tube dan fluida yang mengalir di luar tube (pada shell side). Shell and tube ini

merupakan Heat exchanger yang paling banyak digunakan dalam proses-proses

industri.

Gambar 2. Shell and Tube Heat Exchanger

Plate Heat Exchanger

Gambar 3. Plate Heat Exchanger

Kedua aliran masuk dari sudut dan melewati bagian atas dan bawah plat-plat

parallel dengan fluida panas melewati jalan-jalan (ruang antar plat) genap dan fluida

dingin melewati jalan-jalan ganjil. Plat-plat dapat dipasang secara melingkar agar

dapat memberikan perpindahan panas yang besar dan mencegah terjadinya fouling

Page 6: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

5

(deposit yang tidak diinginkan). Plate Heat exchanger juga mudah untuk dilepas dan

dipasang kembali sehingga mudah untuk dibersihkan. Plate Heat exchanger dibagi

atas 3 macam :

1. Plate and frame or gasketed plate exchanger

Jenis ini terdiri dari bingkai-bingkai dan plat-plat yang disusun rapat,

permukaan plat mempunyai alur-alur yang berpasangan sehingga jika dirangkai

mempunyai dua aliran. Heat exchanger ini digunakan untuk temperatur dan

tekanan rendah seperti mendinginkan cooling water.

2. Spiral plate heat exchanger

Gambar 4. Spiral Plate Heat Exchanger

Terbuat dari dua pelat logam melengkung paralel (spiral) yang berfungsi untuk

membuat aliran turbulen sangat tinggi dalam pola aliran berlawanan arah. Suatu

fluida mengalir dari luar, sedangkan aliran lain dari dalam. Dengan

memvariasikan perbedaan ketinggian piringan (Ξ”h), desain ini sangat serbaguna

an dapat diaplikasikan pada cairan dengan viskositas tinggi dan cairan yang

mengandung suspensi padat tanpa terhalang atau pun memerlukan cairan

pembersih (make-up water). Konstruksi memiliki keuntungan dari tarif

penanganan ekspansi termal yang sangat tinggi yang diciptakan oleh perubahan

suhu antara cairan panas dan dingin

Page 7: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

6

3. Lamella (ramen) heat exchanger

Gambar 5. Lamella (ramen) Heat Exchanger

Alat penukar kalor ini biasa terdiri dari cangkang silinder yang berada di

sekitar strip perpindahan panas. Lamella heat exchanger bekerja dengan media

dalam aliran sejajar tanpa pelat baffle yang dikombinasikan dengan turbulensi

yang tinggi disekitar lamella, yang bertujuan untuk meningkatkan perpindahan

panas yang terjadi. Tidak adanya baffle akan meminimalkan penurunan tekanan

dan membuat kinerja lebih baik.

Extended Surface

Gambar 6. Extended Surface Plate Fin Heat Exchanger

Permukaan tabung dan plat memiliki efisiensi yang terbatas. Untuk

meningkatkan heat fluks maka digunakanlah suatu Heat exchanger dengan extended

surface (permukaan yang dilebarkan) seperti fin, spine (duri), dan groove (kelokan),

sehingga permukaan fluida yang bersentuhan dengan Heat exchanger menjadi lebih

banyak, dan akan menyebabkan perpindahan panas yang lebih cepat. Jenis ini

mampu meningkatkan koefisen konveksi cukup besar. Heat exchanger jenis ini

Page 8: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

7

dibagi menjadi dua macam yaitu plate-fin or matrix Heat exchanger dan high-finned

tube.

b. Berdasarkan jenis aliran

Co-current (aliran searah)

Gambar 7. Aliran searah (Co-current)

Seperti yang dapat dilihat pada gambar diatas, kedua aliran fluida yang berada

didalam heat exchanger mengalir masuk dengan arah yang sama (searah). Kedua

fluida memasuki heat exchanger dengan perbedaan suhu yang besar. Perbedaan

temperatur yang besar akan berkurang seiring dengan semakin besarnya x (jarak)

pada heat exchanger. Temperatur keluaran dari fluida dingin tidak akan melebihi

temperatur fluida panas.

Counter-current (aliran berlawanan arah)

Gambar 8. Aliran berlwanan arah (Counter-current)

Page 9: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

8

Seperti yang dapat dilihat pada gambar diatas, kedua aliran fluida yang berada

didalam heat exchanger mengalir masuk dari arah yang berlawanan. Aliran keluaran

fluida dingin suhunya mendekati suhu dari masukan fluida panas sehingga hasil

suhu yang didapat lebih efektif dari paralel flow. Mekanisme perpindahan kalor jenis

ini hampir sama dengan paralel flow, dimana aplikasi dari bentuk diferensial dari

persamaan steady-state:

dLatTUdQ " (2.1)

wcdtWCdTdQ (2.2)

Cross-current (aliran berseberangan)

Gambar 9. Cross Flow Heat Exchanger

Suatu aliran dimana satu fluida mengalir tegak lurus dengan fluida yang lain.

Aliran tersebut biasa dipakai untuk aplikasi yang melibatkan dua fasa. Misalnya

sistem kondensor uap (tube and shell heat exchanger), di mana uap memasuki shell,

air pendingin mengalir di dalam tube dan menyerap panas dari uap sehingga uap

menjadi cair.

Page 10: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

9

2. Perhitungan dasar dalam Heat Exchanger

a. Koefisien kalor menyeluruh

Gambar 10. Perpindahan kalor menyeluruh melalui dinding bidang datar.

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh di mana perpindahan kalor melalui dinding

bidang datar seperti pada gambar 10 dinyatakan sebagai:

AhkAxAh

TTq BA

21 11

dimana TA dan TB berturut-turut adalah suhu fluida pada kedua bidang sisi dinding itu.

Koefisien kalor menyeluruh U didefinisikan oleh hubungan

menyeluruhTUAq

Dari sudut pandang heat exchanger, dinding bidang datar jarang ada penerapannya.

Kasus yang lebih penting mendapat perhatian adalah double pipe heat exchanger,

seperti pada gambar 11a.

(a) (b)

Gambar 11. Double pipe heat exchanger (a) bagan, (b) jaringan tahanan termal untuk perpindahan

kalor menyeluruh

Dalam penerapan ini salah satu fluida mengalir di dalam tabung yang kecil, sedang

fluida yang satu lagi mengalir di dalam ruang anulus di antara kedua tabung.

Perpindahan kalor menyeluruh didapatkan dari jaringan termal pada gambar 9b

sebagai

T2 Q

h1

T1

h2

TA

TB

(2.3)

(2.4)

Page 11: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

10

00

0 1

2

ln1

AhkL

rr

Ah

TTq

i

ii

BA

dimana subskrip i dan 0 menunjukkan diameter dalam dan diameter luar tabung dalam

yang lebih kecil. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh dapat didasarkan atas luas

dalam atau luas luar tabung menurut selera perancang. Sesuai dengan itu,

00

0 1

2

ln1

1

hA

A

kL

rrA

h

Uiii

i

i

0

0000 1

2

ln1

1

hkL

rrA

hA

AU

i

ii

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:

b. Faktor pengotor

Setelah dipakai beberapa lama, permukaan perpindahan kalor heat exchanger

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 heat exchanger. Dalam kedua hal di

atas lapisan itu memberikan tahanan tambahan terhadap aliran kalor, dan hali ini

menyebabkan menuurunnya kemampuan kerja alat itu. Pengaruh menyeluruh dari hal

di atas, biasa dinyatakan dengan faktor pengotoran (fouling factor), atau tahanan

(2.5)

(2.6)

(2.7)

(2.8)

(2.9)

Page 12: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

11

pengotoran, Rf yang harus diperhitungakan bersama tahanan termal lainnya, dalam

menghitung koefisien perpindahan kalor menyeluruh.

Faktor pengotoran harus didapatkan dari percobaan, yaitu dengan menentukan U

untuk kondisi bersih dan kondisi kotor pada heat exchanger itu. Faktor pengotoran

didefinisikan oleh

bersihkotor UURf

11

c. Logarithmic Mean Temperature Difference (LMTD)

Untuk menghitung perpindahan alor dalam Heat Exchanger Pipa Ganda (Double

Pipe Heat Exchanger), digunakan persamaan berikut :

π‘ž = π‘ˆ 𝐴 βˆ†π‘‡π‘š

dengan :

U : koefisien perpindahan kalor menyeluruh

A: luas permukaan perpindahan kalor

βˆ†π‘‡π‘š : beda suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam HE

Untuk menghitung βˆ†π‘‡π‘š , digunakan persamaan :

ba

ba

meanTT

TTT

/ln(

Dengan :

11

22

chb

cha

TTT

TTT

Kemudian persamaan diatas dikenal juga sebagai persamaan LMTD. LMTD juga

dapat didefinisikan sebagai beda suhu pada satu ujung penukar kalor dikurangi beda

suhu pada ujung yang satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah daripada perbandingan

kedua beda-suhu tersebut. Persamaan diatas digunakan dengan dua asumsi, yaitu : (1)

kalor spesifik fluida tidak berubah menurut suhu, dan (2) koefisien perpindahan kalor

konveksi tetap untuk seluruh penukar kalor.

Nilai LMTD juga dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

1. Bila UD konstan

Untuk aliran searah (co-current)

(2.11)

(2.10)

(2.12)

Page 13: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

12

atau

Untuk aliran berlawanan arah (Counter Current)

(2.13)

Page 14: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

13

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

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

dan harga Ξ” tm =FT.LMTD

2. Bila UD tidak konstan (berubah) terhadap suhu

Untuk aliran searah atau aliran berlawanan arah, maka persamaan LMTD berupa

persamaan implisit:

d. Metode NTU-Efektivitas

Ada metode lain selain metode LMTD. Metode ini berdasarkan atas efektivotas

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

mempunyai beberapa keuntungan untuk menganalisis soal-soal dimana kita harus

membandingkan berbagai jenis penukar kalor guna memilih jenis yang terbaik untuk

melaksanakan sesuatu tugas pemindahan kalor tertentu.

Efektivitas heat exchanger dapat dirumuskan sebagai berikut :

πœ€ =π‘π‘’π‘Ÿπ‘π‘–π‘›π‘‘π‘Žπ‘•π‘Žπ‘› π‘˜π‘Žπ‘™π‘œπ‘Ÿ π‘›π‘¦π‘Žπ‘‘π‘Ž

π‘π‘’π‘Ÿπ‘π‘–π‘›π‘‘π‘Žπ‘•π‘Žπ‘› π‘˜π‘Žπ‘™π‘œπ‘Ÿ π‘šπ‘Žπ‘˜π‘ π‘–π‘šπ‘’π‘š π‘¦π‘Žπ‘›π‘” π‘šπ‘’π‘›π‘”π‘˜π‘–π‘›

Secara umum efektivitas dapat dinyatakan sebagai berikut

πœ€ =βˆ†π‘‡ (π‘“π‘™π‘’π‘–π‘‘π‘Ž π‘šπ‘–π‘›π‘–π‘šπ‘’π‘š)

π΅π‘’π‘‘π‘Ž 𝑠𝑒𝑕𝑒 π‘šπ‘Žπ‘˜π‘ π‘–π‘šπ‘’π‘š 𝑑𝑖 π‘‘π‘Žπ‘™π‘Žπ‘š π‘π‘’π‘›π‘’π‘˜π‘Žπ‘Ÿ π‘˜π‘Žπ‘™π‘œπ‘Ÿ

Persamaan untuk efektivitas dalam aliran sejajar dapat kita turunkan sebagai berikut

𝑙𝑛𝑇𝑕2βˆ’ 𝑇𝑐2

𝑇𝑕1βˆ’ 𝑇𝑐1= βˆ’π‘ˆπ΄

1

π‘š 𝑕 𝑐𝑕+

1

π‘š 𝑐𝑐𝑐

π‘Žπ‘‘π‘Žπ‘’

𝑇𝑕2 βˆ’ 𝑇𝑐2

𝑇𝑕1 βˆ’ 𝑇𝑐1= exp βˆ’π‘ˆπ΄

1

π‘š 𝑕𝑐𝑕+

1

π‘š 𝑐𝑐𝑐

Untuk mencari efektifitas untuk paralel single pass HE adalah sebagai berikut :

maxmin

maxmin

/1

)/1(exp1

CC

NTUCC

(2.14)

(2.15)

(2.16)

(2.17)

(2.18)

Page 15: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

14

Sedangkan untuk counterflow adalah sebagai berikut :

NTUCCCC

NTUCC

)/1(exp)/(1

)/1(exp1

maxminmaxmin

maxmin

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

minC

UANTU

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

terbesar.

(2.19)

Page 16: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

15

BAB III

PENGOLAHAN DATA

Data pengamatan yang diperoleh oleh praktikan adalah sebagai berikut :

Panjang HE total , L : 162 cm = 1,62 m

Diamater pipa bagian luar (shell), D0 : 0,025 m

Diameter pipa bagian dalam (tube), D1: 0,014 m

Luas permukaan bidang tukar kalor, A0 = πœ‹π·0𝐿 = 0,127 m2

Luas permukaan bidang tukar kalor, A1 = πœ‹π·1𝐿 = 0,071 m2

Jenis Aliran Bukaan valve

Qair (ml/s) Kondensat (ml/s)

Stream T inlet (oC)

T outlet (oC)

Counter-current

1/5 515 28 Water (l) 28 68

Steam (g) 96 42

2/5 880 32 Water (l) 28 62

Steam (g) 96 38

3/5 1220 28 Water (l) 27 56

Steam (g) 98 36

4/5 1310 28 Water (l) 27 50

Steam (g) 99 34

5/5 1540 28 Water (l) 27 88

Steam (g) 100 32

Co -current 1/5 600 30 Water (l) 37 48

Steam (g) 94 51

2/5 760 31 Water (l) 37 47

Steam (g) 93 50

3/5 1120 30 Water (l) 36 44

Steam (g) 93 48

4/5 1420 26 Water (l) 35 41

Steam (g) 93 46

5/5 1470 28 Water (l) 35 39

Steam (g) 93 43

Page 17: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

16

A. Perhitungan Metode LMTD aliran Counter-Current

1. Aliran dengan Qair = 51,5 ml/s

Qair = 0,515 x 10-4

m3/s

Qsteam = merupakan jumlah kondensat yang terjadi

= 2,8ml/s x 10-6

m3/ml

= 0,28 x 10-5

m3/s

Tavg water liquid = 𝑇𝑖𝑛 +π‘‡π‘œπ‘’π‘‘

2 =

28+68

2= 48°𝐢

Tavg steam = 𝑇𝑖𝑛 +π‘‡π‘œπ‘’π‘‘

2 =

96+42

2= 69°𝐢

D = Dh = (𝐷02 βˆ’ 𝐷1

2)/𝐷1 = 0,0252

0,014 2 = 0,03064 π‘š

Kemudian, kita menghitung nilai LMTD dari aliran ini :

𝐿𝑀𝑇𝐷 = 𝑇1 βˆ’ 𝑑1 βˆ’ (𝑇2 βˆ’ 𝑑2)

ln(𝑇1 βˆ’ 𝑑1

𝑇2 βˆ’ 𝑑2)

dimana T1 = suhu fluida panas in ; T2 = suhu fluida panas out

t1 = suhu fluida dingin in ; t2 = suhu fluida dingin out

𝐿𝑀𝑇𝐷 = 96βˆ’28 βˆ’ (48βˆ’62)

ln (96βˆ’68

(48βˆ’62))

= 20,1980C

Kemudian, menghitung nilai h0 untuk saturated water:

Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 480C, didapat properti untuk water liquid :

Cp (kJ/kg.0C) 𝜌 (kg/m

3) (kg/m.s) k (W/m.

0C) Pr

4,174 989,0881 5,7064.10-4

0,6429 3,70403

Massa air adalah, π‘Š = 𝜌 𝑄 = 0,0509π‘˜π‘”

𝑠

Reynold Number, Re dari aliran air dalam pipa ini adalah :

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕𝐺/πœ‡ (hal.514, J.P Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

dimana Dh = Diameter hidrauik;

G = laju alir massa per luas penampang aliran minimum (π‘š

𝐴𝑐)

πœ‡ = viskositas fluida

Page 18: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

17

Kemudian, kita mengecek jenis aliran fluida dengan menggunakan pesamaan reynold

𝑅𝑒 =𝐷𝑕𝐺

πœ‡ (hal.514, J.P Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕

πœ‡

4π‘Š

πœ‹(𝐷02 βˆ’ 𝐷1

2)

𝑅𝑒 = 0,03064

5,7064.10βˆ’4

4 π‘₯ 0,0509

πœ‹(0,0252 βˆ’ 0,0142 ) = 8122,306 (π‘‘π‘’π‘Ÿπ‘π‘’π‘™π‘’π‘›)

Kemudian, menghitung nilai h0, karena aliran turbulen, dan asumsi bahwa aliran

tersebut turbulen fully developed dalam pipa licin (no friction), maka digunakan

persamaan :

𝑕0 = 0,023 𝑅𝑒0,8π‘ƒπ‘Ÿ0,3 π‘˜

𝐷𝑕 (persamaan 6-4, J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

𝑕0 = 0,023 π‘₯ 8122,3060,83,704030,30,6429

0,03064

= 1001,2752 π‘Š/π‘šβ„ƒ

Menghitung nilai hi untuk steam

Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 690C, didapat properti untuk water liquid :

Cp (kJ/kg.0C) 𝜌 (kg/m

3) (kg/m.s) k (W/m.

0C) Pr

4,1849 978,4385 4,12.10-4

0,6627 2,6059

Massa steam adalah, π‘Š = 𝜌 𝑄 = 0,00274π‘˜π‘”

𝑠

Kalor dari steam yang dipindahkan ke air, π‘ž = π‘Š. 𝐢𝑝 . 𝑇1 βˆ’ 𝑇2 + π‘Šπœ†

Dengan, πœ† adalah kalor laten steam, yang besarnya 80 cal/kg (nilai ini digunakan

untuk asumsi keadaan steam saat masuk adalah jenuh seluruhnya)

π‘ž = 0,00274.4,1849 . 96 βˆ’ 42 + 0,00274.80

= 0,8383π‘˜π½/𝑠

Page 19: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

18

Kemudian, kita mengecek jenis aliran steam dengan menggunakan pesamaan Reynold

𝑅𝑒 =𝐷𝑕𝐺

πœ‡ (hal.514, J.P Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕

πœ‡

4π‘Š

πœ‹(𝐷02 βˆ’ 𝐷1

2)

𝑅𝑒 = 0,03064

4,12.10βˆ’4

4 π‘₯ 0,00274

πœ‹(0,0252 βˆ’ 0,0142 ) = 605,05 (π‘™π‘Žπ‘šπ‘–π‘›π‘’π‘Ÿ)

Kemudian, menghitung nilai h1, karena aliran laminer, sebelumnya perlu dihitung

nilai Nud untuk menghitung nilai h1, dengan persamaan :

𝑕1 = π‘˜ 𝑁𝑒𝑑

𝐷1, π‘‘π‘–π‘šπ‘Žπ‘›π‘Ž

𝑁𝑒𝑑 = 1,86 π‘…π‘’π‘‘π‘ƒπ‘Ÿ 0,333 𝐷1

𝐿

0,333

π‘’π‘›π‘‘π‘’π‘˜ 𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿> 10

Untuk dapat menggunakan persamaan ini, kita harus mengecek apakah nilai 𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿

memenuhi kriteria di atas.

𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿=

605,05 π‘₯ 2,6059 π‘₯ 0,014

1,62= 13,626 (π‘π‘’π‘Ÿπ‘ π‘Žπ‘šπ‘Žπ‘Žπ‘› π‘‘π‘Žπ‘π‘Žπ‘‘ π‘‘π‘–π‘”π‘’π‘›π‘Žπ‘˜π‘Žπ‘›)

𝑁𝑒𝑑 = 1,86 605,05 π‘₯ 2,6059 0,333 0,014

1,62

0,333

= 4,4387

𝑕1 = π‘˜π‘π‘’π‘‘

𝐷1

= 0,6627 π‘₯ 4,4387

0,014= 210,12 π‘Š/π‘š2℃

Menentukan koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U)

Dari tabel A-2 (J.P.Holman, β€œPerpindahan Kalor”), didapatkan bahwa KFe murni , pada

T = 20oC, adalah 73 W/m

oC (diasumsikan bahwa pipa HE terbuat dari besi murni)

Dari persamaan (10-4a) buku J.P.Holman, β€œPerpindahan Kalor”, didapatkan

persamaan untuk menghitung U, yaitu :

π‘ˆπ‘– = 1

1𝑕𝑖

+ 𝐴𝑖 ln(π‘Ÿπ‘œ π‘Ÿπ‘–)

2πœ‹π‘˜πΏ+

1π‘•π‘œ

Page 20: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

19

= 1

1210,12 +

0,000154 ln(0,0125 0,007) 2πœ‹π‘₯ 0,6265 π‘₯ 1,62

+ 1

1001,475

= 46,219π‘Š/π‘š2℃

Menghitung nilai Ud, dengan persamaan :

π‘ˆπ‘‘ = π‘ž

𝐴. 𝐿𝑀𝑇𝐷

=0,8383

0,000154.20,198

= 269,75 π‘Š/π‘š2℃

Menghitung nilai Rd, dengan persamaan :

𝑅𝑑 =1

π‘ˆπ‘‘βˆ’

1

π‘ˆπ‘

= 1

269,75βˆ’

1

46,219

= 0,01793 π‘Š/π‘š2℃

2. Aliran dengan Qair = 88 ml/s

Qair = 0,88 x 10-4

m3/s

Qsteam = merupakan jumlah kondensat yang terjadi

= 3,2 ml/s x 10-6

m3/ml

= 0,32 x 10-5

m3/s

Tavg water liquid = 𝑇𝑖𝑛 +π‘‡π‘œπ‘’π‘‘

2 =

28+62

2= 45°𝐢

Tavg steam = 𝑇𝑖𝑛 +π‘‡π‘œπ‘’π‘‘

2 =

96+38

2= 67°𝐢

D = Dh = (𝐷02 βˆ’ 𝐷1

2)/𝐷1 = 0,0252

0,014 2= 0,03064 π‘š

Kemudian, kita menghitung nilai LMTD dari aliran ini :

𝐿𝑀𝑇𝐷 = 𝑇1 βˆ’ 𝑑1 βˆ’ (𝑇2 βˆ’ 𝑑2)

ln(𝑇1 βˆ’ 𝑑1

𝑇2 βˆ’ 𝑑2)

dimana T1 = suhu fluida panas in ; T2 = suhu fluida panas out

t1 = suhu fluida dingin in ; t2 = suhu fluida dingin out

𝐿𝑀𝑇𝐷 = 96βˆ’28 βˆ’ (38βˆ’62)

ln (96βˆ’68

(38βˆ’62))

= 19,6110C

Page 21: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

20

Kemudian, menghitung nilai h0 untuk saturated water:

Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 450C, didapat properti untuk water liquid :

Cp (kJ/kg.0C) 𝜌 (kg/m

3) (kg/m.s) k (W/m.

0C) Pr

4,174 990,0594 5,998.10-4

0,6391 3,91986

Massa air adalah, π‘Š = 𝜌 𝑄 = 0,0871π‘˜π‘”

𝑠

Reynold Number, Re dari aliran air dalam pipa ini adalah :

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕𝐺/πœ‡ (hal.514, J.P Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

dimana Dh = Diameter hidrauik;

G = laju alir massa per luas penampang aliran minimum (π‘š

𝐴𝑐)

πœ‡ = viskositas fluida

Kemudian, kita mengecek jenis aliran fluida dengan menggunakan pesamaan reynold

𝑅𝑒 =𝐷𝑕𝐺

πœ‡ (hal.514, J.P Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕

πœ‡

4π‘Š

πœ‹(𝐷02 βˆ’ 𝐷1

2)

𝑅𝑒 = 0,03064

5,998.10βˆ’4

4 π‘₯ 0,0871

πœ‹(0,0252 βˆ’ 0,0142 ) = 13217,64 (π‘‘π‘’π‘Ÿπ‘π‘’π‘™π‘’π‘›)

Kemudian, menghitung nilai h0, karena aliran turbulen, dan asumsi bahwa aliran

tersebut turbulen fully developed dalam pipa licin (no friction), maka digunakan

persamaan :

𝑕0 = 0,023 𝑅𝑒0,8π‘ƒπ‘Ÿ0,3 π‘˜

𝐷𝑕 (persamaan 6-4, J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

𝑕0 = 0,023 π‘₯ 13217,640,83,919860,30,6391

0,03064

= 1497,791 π‘Š/π‘šβ„ƒ

Menghitung nilai hi untuk steam

Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 670C, didapat properti untuk water liquid :

Cp (kJ/kg.0C) 𝜌 (kg/m

3) (kg/m.s) k (W/m.

0C) Pr

Page 22: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

21

4,1838 979,5176 4,224.10-4

0,6606 2,6778

Massa steam adalah, π‘Š = 𝜌 𝑄 = 0,003135π‘˜π‘”

𝑠

Kalor dari steam yang dipindahkan ke air, π‘ž = π‘Š. 𝐢𝑝 . 𝑇1 βˆ’ 𝑇2 + π‘Šπœ†

Dengan, πœ† adalah kalor laten steam, yang besarnya 80 cal/kg (nilai ini digunakan

untuk asumsi keadaan steam saat masuk adalah jenuh seluruhnya)

π‘ž = 0,003135.4,1927 . 96 βˆ’ 38 + 0,003135.80

= 0,6924 π‘˜π½/𝑠

Kemudian, kita mengecek jenis aliran steam dengan menggunakan pesamaan Reynold

𝑅𝑒 =𝐷𝑕𝐺

πœ‡ (hal.514, J.P Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕

πœ‡

4π‘Š

πœ‹(𝐷02 βˆ’ 𝐷1

2)

𝑅𝑒 = 0,03064

4,224.10βˆ’4

4 π‘₯ 0,003135

πœ‹(0,0252 βˆ’ 0,0142 ) = 675,15 (π‘™π‘Žπ‘šπ‘–π‘›π‘’π‘Ÿ)

Kemudian, menghitung nilai h1, karena aliran laminer, sebelumnya perlu dihitung

nilai Nud untuk menghitung nilai h1, dengan persamaan :

𝑕1 = π‘˜ 𝑁𝑒𝑑

𝐷1, π‘‘π‘–π‘šπ‘Žπ‘›π‘Ž

𝑁𝑒𝑑 = 1,86 π‘…π‘’π‘‘π‘ƒπ‘Ÿ 0,333 𝐷1

𝐿

0,333

π‘’π‘›π‘‘π‘’π‘˜ 𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿> 10

Untuk dapat menggunakan persamaan ini, kita harus mengecek apakah nilai 𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿

memenuhi kriteria di atas.

𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿=

675,15 π‘₯ 2,6678 π‘₯ 0,014

1,62= 15,624 (π‘π‘’π‘Ÿπ‘ π‘Žπ‘šπ‘Žπ‘Žπ‘› π‘‘π‘Žπ‘π‘Žπ‘‘ π‘‘π‘–π‘”π‘’π‘›π‘Žπ‘˜π‘Žπ‘›)

𝑁𝑒𝑑 = 1,86 675,15 π‘₯ 2,6778 0,333 0,014

1,62

0,333

= 4,6457

𝑕1 = π‘˜π‘π‘’π‘‘

𝐷1

Page 23: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

22

= 0,6606 π‘₯ 4,6457

0,014= 219,2 π‘Š/π‘š2℃

Menentukan koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U)

Dari tabel A-2 (J.P.Holman, β€œPerpindahan Kalor”), didapatkan bahwa KFe murni , pada

T = 20oC, adalah 73 W/m

oC (diasumsikan bahwa pipa HE terbuat dari besi murni)

Dari persamaan (10-4a) buku J.P.Holman, β€œPerpindahan Kalor”, didapatkan

persamaan untuk menghitung U, yaitu :

π‘ˆπ‘– = 1

1𝑕𝑖

+ 𝐴𝑖 ln(π‘Ÿπ‘œ π‘Ÿπ‘–)

2πœ‹π‘˜πΏ+

1π‘•π‘œ

π‘ˆπ‘– = 1

1219,2 +

0,000154 ln(0,0125 0,007) 2πœ‹π‘₯ 73 π‘₯ 1,62 +

11497,791

= 46,871 π‘Š/π‘š2℃

Menghitung nilai Ud, dengan persamaan :

π‘ˆπ‘‘ = π‘ž

𝐴. 𝐿𝑀𝑇𝐷

=1,0014

0,000154.19,611

= 335,17 π‘Š/π‘š2℃

Menghitung nilai Rd, dengan persamaan :

𝑅𝑑 =1

π‘ˆπ‘‘βˆ’

1

π‘ˆπ‘

= 1

335,17βˆ’

1

46,871

= 0,01835 π‘Š/π‘š2℃

B. Perhitungan Metode LMTD aliran Co-Current

1. Aliran dengan Qair = 60 ml/s

Qair = 0,6 x 10-4

m3/s

Qsteam = merupakan jumlah kondensat yang terjadi

= 3 ml/s x 10-6

m3/ml

= 0,3 x 10-5

m3/s

Page 24: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

23

Tavg water liquid = 𝑇𝑖𝑛 +π‘‡π‘œπ‘’π‘‘

2 =

36+50

2= 43°𝐢

Tavg steam = 𝑇𝑖𝑛 +π‘‡π‘œπ‘’π‘‘

2 =

94+44

2= 69°𝐢

D = Dh = (𝐷02 βˆ’ 𝐷1

2)/𝐷1 = 0,0252

0,014 2= 0,03064 π‘š

Kemudian, kita menghitung nilai LMTD dari aliran ini :

𝐿𝑀𝑇𝐷 = 𝑇1 βˆ’ 𝑑1 βˆ’ (𝑇2 βˆ’ 𝑑2)

ln(𝑇1 βˆ’ 𝑑1

𝑇2 βˆ’ 𝑑2)

dimana T1 = suhu fluida panas in ; T2 = suhu fluida panas out

t1 = suhu fluida dingin in ; t2 = suhu fluida dingin out

𝐿𝑀𝑇𝐷 = 94βˆ’36 βˆ’ (44βˆ’50)

ln (94βˆ’36

44βˆ’50)

= 28,210C

Kemudian, menghitung nilai h0 untuk saturated water:

Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 430C, didapat properti untuk water liquid :

Cp (kJ/kg.0C) 𝜌 (kg/m

3) (kg/m.s) k (W/m.

0C) Pr

4,174 990,7427 6,199.10-4

0,6366 4,069

Massa air adalah, π‘Š = 𝜌 𝑄 = 0,5944π‘˜π‘”

𝑠

Reynold Number, Re dari aliran air dalam pipa ini adalah :

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕𝐺/πœ‡ (hal.514, J.P Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

dimana Dh = Diameter hidrauik;

G = laju alir massa per luas penampang aliran minimum (π‘š

𝐴𝑐)

πœ‡ = viskositas fluida

Kemudian, kita mengecek jenis aliran fluida dengan menggunakan pesamaan reynold

𝑅𝑒 =𝐷𝑕𝐺

πœ‡ (hal.514, J.P Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕

πœ‡

4π‘Š

πœ‹(𝐷02 βˆ’ 𝐷1

2)

Page 25: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

24

𝑅𝑒 = 0,03064

6,199.10βˆ’4

4 π‘₯ 0,5944

πœ‹(0,0252 βˆ’ 0,0142 ) = 87252,07 (π‘‘π‘’π‘Ÿπ‘π‘’π‘™π‘’π‘›)

Kemudian, menghitung nilai h0, karena aliran turbulen, dan asumsi bahwa aliran

tersebut turbulen fully developed dalam pipa licin (no friction), maka digunakan

persamaan :

𝑕0 = 0,023 𝑅𝑒0,8π‘ƒπ‘Ÿ0,3 π‘˜

𝐷𝑕 (persamaan 6-4, J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

𝑕0 = 0,023 π‘₯ 87252,070,84,0690,30,6366

0,03064

= 6836,581 π‘Š/π‘šβ„ƒ

Menghitung nilai hi untuk steam

Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 690C, didapat properti untuk water liquid :

Cp (kJ/kg.0C) 𝜌 (kg/m

3) (kg/m.s) k (W/m.

0C) Pr

4,1849 978,4385 4,12.10-4

0,6627 2,6059

Massa steam adalah, π‘Š = 𝜌 𝑄 = 0,002935π‘˜π‘”

𝑠

Kalor dari steam yang dipindahkan ke air, π‘ž = π‘Š. 𝐢𝑝 . 𝑇1 βˆ’ 𝑇2 + π‘Šπœ†

Dengan, πœ† adalah kalor laten steam, yang besarnya 80 cal/kg (nilai ini digunakan

untuk asumsi keadaan steam saat masuk adalah jenuh seluruhnya)

π‘ž = 0,002935.4,1849 . 94 βˆ’ 44 + 0,002935.80

= 0,849 π‘˜π½/𝑠

Kemudian, kita mengecek jenis aliran steam dengan menggunakan pesamaan Reynold

𝑅𝑒 =𝐷𝑕𝐺

πœ‡ (hal.514, J.P Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕

πœ‡

4π‘Š

πœ‹(𝐷02 βˆ’ 𝐷1

2)

𝑅𝑒 = 0,03064

4,12.10βˆ’4

4 π‘₯ 0,002935

πœ‹(0,0252 βˆ’ 0,0142 ) = 648,27 (π‘™π‘Žπ‘šπ‘–π‘›π‘’π‘Ÿ)

Page 26: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

25

Kemudian, menghitung nilai h1, karena aliran laminer, sebelumnya perlu dihitung

nilai Nud untuk menghitung nilai h1, dengan persamaan :

𝑕1 = π‘˜ 𝑁𝑒𝑑

𝐷1, π‘‘π‘–π‘šπ‘Žπ‘›π‘Ž

𝑁𝑒𝑑 = 1,86 π‘…π‘’π‘‘π‘ƒπ‘Ÿ 0,333 𝐷1

𝐿

0,333

π‘’π‘›π‘‘π‘’π‘˜ 𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿> 10

Untuk dapat menggunakan persamaan ini, kita harus mengecek apakah nilai 𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿

memenuhi kriteria di atas.

𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿=

648,27 π‘₯ 2,6059 π‘₯ 0,014

1,62= 14,599 (π‘π‘’π‘Ÿπ‘ π‘Žπ‘šπ‘Žπ‘Žπ‘› π‘‘π‘Žπ‘π‘Žπ‘‘ π‘‘π‘–π‘”π‘’π‘›π‘Žπ‘˜π‘Žπ‘›)

𝑁𝑒𝑑 = 1,86 648,27 π‘₯ 2,6059 0,333 0,014

1,62

0,333

= 4,5419

𝑕1 = π‘˜π‘π‘’π‘‘

𝐷1

= 0, 6627 π‘₯ 4,5419

0,014= 215 π‘Š/π‘š2℃

Menentukan koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U)

Dari tabel A-2 (J.P.Holman, β€œPerpindahan Kalor”), didapatkan bahwa KFe murni , pada

T = 20oC, adalah 73 W/m

oC (diasumsikan bahwa pipa HE terbuat dari besi murni)

Dari persamaan (10-4a) buku J.P.Holman, β€œPerpindahan Kalor”, didapatkan

persamaan untuk menghitung U, yaitu :

π‘ˆπ‘– = 1

1𝑕𝑖

+ 𝐴𝑖 ln(π‘Ÿπ‘œ π‘Ÿπ‘–)

2πœ‹π‘˜πΏ+

1π‘•π‘œ

π‘ˆπ‘– = 1

1215,5

+ 0,000154 ln(0,0125 0,007)

2πœ‹π‘₯ 73 π‘₯ 1,62 + 1

6836,581

= 47,035 π‘Š/π‘š2℃

Menghitung nilai Ud, dengan persamaan :

π‘ˆπ‘‘ = π‘ž

𝐴. 𝐿𝑀𝑇𝐷

Page 27: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

26

=0,849

0,000154.28,21

= 195,61 π‘Š/π‘š2℃

Menghitung nilai Rd, dengan persamaan :

𝑅𝑑 =1

π‘ˆπ‘‘βˆ’

1

π‘ˆπ‘

= 1

195,61βˆ’

1

47,035

= 0,01615π‘Š

π‘š2℃

2. Aliran dengan Qair = 76 ml/s

Qair = 0,76 x 10-4

m3/s

Qsteam = merupakan jumlah kondensat yang terjadi

= 3,1ml/s x 10-6

m3/ml

= 0,31 x 10-5

m3/s

Tavg water liquid = 𝑇𝑖𝑛 +π‘‡π‘œπ‘’π‘‘

2 =

37+51

2= 44°𝐢

Tavg steam = 𝑇𝑖𝑛 +π‘‡π‘œπ‘’π‘‘

2 =

94+47

2= 70,5°𝐢

D = Dh = (𝐷02 βˆ’ 𝐷1

2)/𝐷1 = 0,0252

0,014 2 = 0,03064 π‘š

Kemudian, kita menghitung nilai LMTD dari aliran ini :

𝐿𝑀𝑇𝐷 = 𝑇1 βˆ’ 𝑑1 βˆ’ (𝑇2 βˆ’ 𝑑2)

ln(𝑇1 βˆ’ 𝑑1

𝑇2 βˆ’ 𝑑2)

dimana T1 = suhu fluida panas in ; T2 = suhu fluida panas out

t1 = suhu fluida dingin in ; t2 = suhu fluida dingin out

𝐿𝑀𝑇𝐷 = 94βˆ’37 βˆ’ (47βˆ’51)

ln (94βˆ’37

47βˆ’51)

= 22,96 0C

Kemudian, menghitung nilai h0 untuk saturated water:

Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 420C, didapat properti untuk water liquid :

Cp (kJ/kg.0C) 𝜌 (kg/m

3) (kg/m.s) k (W/m.

0C) Pr

4,174 990,3831 6,095.10-4

0,6378 3,9918

Page 28: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

27

Massa air adalah, π‘Š = 𝜌 𝑄 = 0,7527π‘˜π‘”

𝑠

Reynold Number, Re dari aliran air dalam pipa ini adalah :

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕𝐺/πœ‡ (hal.514, J.P Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

dimana Dh = Diameter hidrauik;

G = laju alir massa per luas penampang aliran minimum (π‘š

𝐴𝑐)

πœ‡ = viskositas fluida

Kemudian, kita mengecek jenis aliran fluida dengan menggunakan pesamaan reynold

𝑅𝑒 =𝐷𝑕𝐺

πœ‡ (hal.514, J.P Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕

πœ‡

4π‘Š

πœ‹(𝐷02 βˆ’ 𝐷1

2)

𝑅𝑒 = 0,03064

6,095.10βˆ’4

4 π‘₯ 0,7527

πœ‹(0,0252 βˆ’ 0,0142 ) = 112370 (π‘‘π‘’π‘Ÿπ‘π‘’π‘™π‘’π‘›)

Kemudian, menghitung nilai h0, karena aliran turbulen, dan asumsi bahwa aliran

tersebut turbulen fully developed dalam pipa licin (no friction), maka digunakan

persamaan :

𝑕0 = 0,023 𝑅𝑒0,8π‘ƒπ‘Ÿ0,3 π‘˜

𝐷𝑕 (persamaan 6-4, J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

𝑕0 = 0,023 π‘₯ 1123700,83,99180,30,6378

0,03064

= 8333,402 π‘Š/π‘šβ„ƒ

Menghitung nilai hi untuk steam

Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 70,50C, didapat properti untuk water liquid :

Cp (kJ/kg.0C) 𝜌 (kg/m

3) (kg/m.s) k (W/m.

0C) Pr

4,1857 977,6291 4,042.10-4

0,6643 2,5519

Massa steam adalah, π‘Š = 𝜌 𝑄 = 0,003031π‘˜π‘”

𝑠

Kalor dari steam yang dipindahkan ke air, π‘ž = π‘Š. 𝐢𝑝 . 𝑇1 βˆ’ 𝑇2 + π‘Šπœ†

Page 29: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

28

Dengan, πœ† adalah kalor laten steam, yang besarnya 80 cal/kg (nilai ini digunakan

untuk asumsi keadaan steam saat masuk adalah jenuh seluruhnya)

π‘ž = 0,003031.4,1857 . 94 βˆ’ 47 + 0,003031.80

= 0,8387 π‘˜π½/𝑠

Kemudian, kita mengecek jenis aliran steam dengan menggunakan pesamaan

Reynold

𝑅𝑒 =𝐷𝑕𝐺

πœ‡ (hal.514, J.P Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕

πœ‡

4π‘Š

πœ‹(𝐷02 βˆ’ 𝐷1

2)

𝑅𝑒 = 0,03064

4,042.10βˆ’4

4 π‘₯ 0,003031

πœ‹(0,0252 βˆ’ 0,0142 ) = 682,28 (π‘™π‘Žπ‘šπ‘–π‘›π‘’π‘Ÿ)

Kemudian, menghitung nilai h1, karena aliran laminer, sebelumnya perlu dihitung

nilai Nud untuk menghitung nilai h1, dengan persamaan :

𝑕1 = π‘˜ 𝑁𝑒𝑑

𝐷1, π‘‘π‘–π‘šπ‘Žπ‘›π‘Ž

𝑁𝑒𝑑 = 1,86 π‘…π‘’π‘‘π‘ƒπ‘Ÿ 0,333 𝐷1

𝐿

0,333

π‘’π‘›π‘‘π‘’π‘˜ 𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿> 10

Untuk dapat menggunakan persamaan ini, kita harus mengecek apakah nilai 𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿

memenuhi kriteria di atas.

𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿=

682,28 π‘₯ 2,5519 π‘₯ 0,014

1,62= 15,047 (π‘π‘’π‘Ÿπ‘ π‘Žπ‘šπ‘Žπ‘Žπ‘› π‘‘π‘Žπ‘π‘Žπ‘‘ π‘‘π‘–π‘”π‘’π‘›π‘Žπ‘˜π‘Žπ‘›)

𝑁𝑒𝑑 = 1,86 682,28π‘₯ 2,5519 0,333 0,014

1,62

0,333

= 4,5878

𝑕1 = π‘˜π‘π‘’π‘‘

𝐷1

= 0,6643 π‘₯ 4,5878

0,014= 217,7 π‘Š/π‘š2℃

Menentukan koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U)

Dari tabel A-2 (J.P.Holman, β€œPerpindahan Kalor”), didapatkan bahwa KFe murni , pada

T = 20oC, adalah 73 W/m

oC (diasumsikan bahwa pipa HE terbuat dari besi murni)

Page 30: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

29

Dari persamaan (10-4a) buku J.P.Holman, β€œPerpindahan Kalor”, didapatkan

persamaan untuk menghitung U, yaitu :

π‘ˆπ‘– = 1

1𝑕𝑖

+ 𝐴𝑖 ln(π‘Ÿπ‘œ π‘Ÿπ‘–)

2πœ‹π‘˜πΏ+

1π‘•π‘œ

= 1

1217,7 +

0,000154 ln(0,0125 0,007) 2πœ‹π‘₯ 73 π‘₯ 1,62 +

18333,402

= 47,189 π‘Š/π‘š2℃

Menghitung nilai Ud, dengan persamaan :

π‘ˆπ‘‘ = π‘ž

𝐴. 𝐿𝑀𝑇𝐷

=0,8387

0,000154.22,96

= 237,4 π‘Š/π‘š2℃

Menghitung nilai Rd, dengan persamaan :

𝑅𝑑 =1

π‘ˆπ‘‘βˆ’

1

π‘ˆπ‘

= 1

237,4βˆ’

1

47,189

= 0,01698 π‘Š/π‘š2℃

Perhitungan diatas merupakan perhitungan untuk menghitung NTU dan efektivitas dari aliran

jenis counter-current dan co-current (data bukaan valve 1/5 dan 2/5). Untuk data bukaan

valve lainnya, kami menghitung dengan cara yang sama seperti diatas dan didapatkan hasil

sebagai berikut

Page 31: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

30

C. Penentuan Nilai Keefetifan (πœ€) dan NTU aliran Counter – Current

1. Aliran dengan Q = 51,5 ml/s

Dari tabel A-9 (J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”) didapatkan data Cp sebagai

berikut :

Jenis

Aliran

Bukaan

Valve

LMTD Re Water

Liquid

h0 Re

Steam

h1 qsteam

Counter

Current

1/5 20,198 6437,77122

884,938 710,61 211,64 0,8328

2/5 19,611 10571,7711 1329,593 783,08 220,74 1,0054

3/5 21,422 142098,766 10714,733 669,4 210,82 0,9264

4/5 21,584 149318,251 11211,619 648,12 210,7 0,9619

5/5 7,9957 171860,108 12615,248 807,79 212,61 0,9864

Co-

Current

1/5 22,921 82612,1256 6643,303496 672,6788 215,511 0,774207

2/5 19,949 108486,457 8180,164583 699,4734 217,8961 0,787135

3/5 20,193 151527,957 10844,09785 656,2173 215,227 0,824073

4/5 19,027 181184,874 12708,01138 551,8178 204,6645 0,768281

5/5 18,229 185641,318 12992,73754 587,2963 209,5498 0,873665

Jenis Aliran Bukaan Valve Uc Ud

Counter Current 1/5 46,21919 269,749

2/5 46,87114 335,1747

3/5 46,81751 282,411

4/5 46,81344 290,7313

5/5 46,82195 812,9743

Co-Current 1/5 47,03521 195,6077

2/5 47,18171 237,4012

3/5 47,0629 245,0039

4/5 46,55077 247,4872

5/5 46,80694 311,6283

Page 32: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

31

Saturated Water Steam

Temperatur Cp(kJ/kg0C) C(kJ/

0C) Cp(kJ/kg

0C) C(kJ/

0C)

Inlet 4,177802 0,21281 4,2069 0,01144

Outlet 4,184 0,21325 4,174 0,01153

Dengan nilai 𝐢 = 𝐢𝑝 (π‘˜π½ 𝐾𝑔℃) π‘₯ π‘Š (𝐾𝑔 𝑠 )

Dari tabel diatas, kemudian kita mencari fluida minimum dan fluida maksimum

berdasarkan nilai C nya. Fluida minimum nya adalah steam, dengan nilai

Cmin = 0,01144 kJ/0C serta,

Cmax = 0,21325 kJ/0C

Menghitung nilai C*

πΆβˆ— = πΆπ‘šπ‘–π‘›

πΆπ‘šπ‘Žπ‘₯=

0,01144

0,21325= 0,05365

Menghitung efektifitas

Efektifitas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

πœ–π‘π‘œπ‘’π‘›π‘‘π‘’π‘Ÿ βˆ’π‘π‘’π‘Ÿπ‘Ÿπ‘’π‘›π‘‘ = 𝑇𝑕1 βˆ’ 𝑇𝑕2

𝑇𝑕1 βˆ’ 𝑇𝑐1=

96 βˆ’ 42

96 βˆ’ 28= 0,79412

πœ–π‘π‘œπ‘’π‘›π‘‘π‘’π‘Ÿ βˆ’π‘π‘’π‘Ÿπ‘Ÿπ‘’π‘›π‘‘ % = 79,412 %

Menghitung NTU

Dari tabel (cari di Holman), buku J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”, nilai NTU

untuk aliran counter-current dapat digunakan persamaan :

π‘π‘‡π‘ˆ = 1

(πΆβˆ— βˆ’ 1)ln

πœ– βˆ’ 1

[(πΆβˆ—πœ–) βˆ’ 1]

π‘π‘‡π‘ˆ = 1

(0,05365 βˆ’ 1)ln

0,79412 βˆ’ 1

(0,05365 π‘₯ 0,79412) βˆ’ 1]

= 1,62405

2. Aliran dengan Q = 88 ml/s

Dari tabel A-9 (J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”) didapatkan data Cp sebagai

berikut :

Page 33: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

32

Saturated Water Steam

Temperatur Cp(kJ/kg0C) C(kJ/

0C) Cp(kJ/kg

0C) C(kJ/

0C)

Inlet 4,177802 0,36399 4,2069 0,013083

Outlet 4,18 0,36418 4,174 0,013186

Dengan nilai 𝐢 = 𝐢𝑝 (π‘˜π½ 𝐾𝑔℃) π‘₯ π‘Š (𝐾𝑔 𝑠 )

Dari tabel diatas, kemudian kita mencari fluida minimum dan fluida maksimum

berdasarkan nilai C nya. Fluida minimum nya adalah steam, dengan nilai

Cmin = 0,013083 kJ/0C serta,

Cmax = 0,36418 kJ/0C

Menghitung nilai C*

πΆβˆ— = πΆπ‘šπ‘–π‘›

πΆπ‘šπ‘Žπ‘₯=

0,013083

0,36418= 0,035925

Menghitung efektifitas

Efektifitas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

πœ–π‘π‘œπ‘’π‘›π‘‘π‘’π‘Ÿ βˆ’π‘π‘’π‘Ÿπ‘Ÿπ‘’π‘›π‘‘ = 𝑇𝑕1 βˆ’ 𝑇𝑕2

𝑇𝑕1 βˆ’ 𝑇𝑐1=

96 βˆ’ 38

96 βˆ’ 28= 0,85294

πœ–π‘π‘œπ‘’π‘›π‘‘π‘’π‘Ÿ βˆ’π‘π‘’π‘Ÿπ‘Ÿπ‘’π‘›π‘‘ % = 85,294 %

Menghitung NTU

Dari tabel (cari di Holman), buku J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”, nilai NTU

untuk aliran counter-current dapat digunakan persamaan :

π‘π‘‡π‘ˆ = 1

(πΆβˆ— βˆ’ 1)ln

πœ– βˆ’ 1

[(πΆβˆ—πœ–) βˆ’ 1]

π‘π‘‡π‘ˆ = 1

(0,035925 βˆ’ 1)ln

0,85294 βˆ’ 1

(0,035295 π‘₯ 0,85294) βˆ’ 1]

= 1,95607

D. Penentuan Nilai Keefetifan (πœ€) dan NTU aliran Co – Current

1. Aliran dengan Q = 60 ml/s

Dari tabel A-9 (J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”) didapatkan data Cp sebagai

berikut :

Page 34: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

33

Saturated Water Steam

Temperatur Cp(kJ/kg0C) C(kJ/

0C) Cp(kJ/kg

0C) C(kJ/

0C)

Inlet 4,174 2,48122 4,175 0,012252

Outlet 4,174 2,48181 4,174 0,012254

Dengan nilai 𝐢 = 𝐢𝑝 (π‘˜π½ 𝐾𝑔℃) π‘₯ π‘Š (𝐾𝑔 𝑠 )

Dari tabel diatas, kemudian kita mencari fluida minimum dan fluida maksimum

berdasarkan nilai C nya. Fluida minimum nya adalah steam, dengan nilai

Cmin = 0,012252 kJ/0C serta,

Cmax = 2,48181 kJ/0C

Menghitung nilai C*

πΆβˆ— = πΆπ‘šπ‘–π‘›

πΆπ‘šπ‘Žπ‘₯=

0,012252

2,48181= 0,004937

Menghitung efektifitas

Efektifitas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

πœ–π‘π‘œβˆ’π‘π‘’π‘Ÿπ‘Ÿπ‘’π‘›π‘‘ = 𝑇𝑕1 βˆ’ 𝑇𝑕2

𝑇𝑕1 βˆ’ 𝑇𝑐1=

94 βˆ’ 44

94 βˆ’ 36= 0,75862

πœ–π‘π‘œβˆ’π‘π‘’π‘Ÿπ‘Ÿπ‘’π‘›π‘‘ % = 75,862%

Menghitung NTU

Dari tabel (cari di Holman), buku J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”, nilai NTU

untuk aliran co-current dapat digunakan persamaan :

π‘π‘‡π‘ˆ = βˆ’ln(1 βˆ’ (1 βˆ’ πΆβˆ—)πœ–

1 + πΆβˆ—

π‘π‘‡π‘ˆ = βˆ’ln(1 βˆ’ 1 βˆ’ 0,004937 0,758621

1 + 0,004937

= 1,3991

2. Aliran dengan Q = 76 ml/s

Dari tabel A-9 (J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”) didapatkan data Cp sebagai

berikut :

Saturated Water Steam

Temperatur Cp(kJ/kg0C) C(kJ/

0C) Cp(kJ/kg

0C) C(kJ/

0C)

Inlet 4,174 3,14173 4,1759 0,01265

Outlet 4,1759 3,14316 4,174 0,012656

Page 35: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

34

Dengan nilai 𝐢 = 𝐢𝑝 (π‘˜π½ 𝐾𝑔℃) π‘₯ π‘Š (𝐾𝑔 𝑠 )

Dari tabel diatas, kemudian kita mencari fluida minimum dan fluida maksimum

berdasarkan nilai C nya. Fluida minimum nya adalah steam, dengan nilai

Cmin = 0,01265 kJ/0C serta,

Cmax = 3,14316 kJ/0C

Menghitung nilai C*

πΆβˆ— = πΆπ‘šπ‘–π‘›

πΆπ‘šπ‘Žπ‘₯=

0,01265

3,14316= 0,00402

Menghitung efektifitas

Efektifitas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

πœ–π‘π‘œβˆ’π‘π‘’π‘Ÿπ‘Ÿπ‘’π‘›π‘‘ = 𝑇𝑕1 βˆ’ 𝑇𝑕2

𝑇𝑕1 βˆ’ 𝑇𝑐1=

94 βˆ’ 47

94 βˆ’ 37= 0,75439

πœ–π‘π‘œβˆ’π‘π‘’π‘Ÿπ‘Ÿπ‘’π‘›π‘‘ % = 75,439 %

Menghitung NTU

Dari tabel (cari di Holman), buku J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”, nilai NTU

untuk aliran co-current dapat digunakan persamaan :

π‘π‘‡π‘ˆ = βˆ’ln(1 βˆ’ (1 βˆ’ πΆβˆ—)πœ–

1 + πΆβˆ—

π‘π‘‡π‘ˆ = βˆ’ln(1 βˆ’ 1 βˆ’ 0,00402 0,75439

1 + 0,00402

= 1,3862

Berikut data efektifitas dan NTU yang kami dapatkan secara keseluruhan akan ditampilkan

dalam tabel berikut :

Jenis

Aliran

Bukaan

Valve

Efektifitas Water

Liquid (%)

NTU Water

Liquid

Counter-

current

1/5 79,412 1,62363

2/5 85,294 1,95567

3/5 87,324 2,06814

4/5 90,278 2,33375

Page 36: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

35

5/5 93,151 2,68412

Co-current 1/5 75,862 1,3991

2/5 75,439 1,3862

3/5 82,759 1,7659

4/5 88,333 2,153

5/5 95 5,0254

Page 37: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

36

BAB IV

ANALISIS

A. Analisis Percobaan

Pada percobaan Heat Exchanger ini digunakan Double pipe Heat Exchanger, tujuan

dari percobaan ini adalah untuk mengetahui cara kerja dari Double pipe Heat Exchanger

dengan menghitung parameter-parameternya, dalam hal ini dihitung beberapa parameter

seperti koefisien perpindahan panas, efisiensi dan perbandingan antara aliran searah dan

berlawanan arah.

Mekanisme perpindahan kalor pada alat ini terjadi secara tidak langsung (indirect

contact type) karena terdapat dinding pemisah antara kedua fluida sehingga kedua fluida

tidak bercampur. Medium pemanas yang dipakai uap air panas (steam) dan air biasa

sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar

perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi

karena adanya kontak tidak langsung antara steam dan air.

Pada heat exchanger ini, ada 2 macam perpindahan panas yaitu secara konveksi pada

kedua fluida yang mengalir dan secara konduksi dari fluida panas ke fluida dingin, dimana

keduanya dipisahkan oleh dinding.

Pada percobaan ini, fluida pendingin (air) mengalir melalui pipa annulus (shell),

sedangkan fluida pemanas (steam) mengalir pada pipa kecil. Terdapat beberapa alasan

mengapa steam ditempatkan pada pipa kecil (dalam), yakni :

- Steam memiliki tekanan yang lebih tinggi. Sehingga penempatannya diletakkan pada

pusat tabung (pipa kecil) bertujuan agar alat tidak cepat rusak akibat tekanan tinggi.

- Steam pada percobaan ini berlaku sebagai fluida pemanas. Penempatan steam pada

bagian dalam adalah upaya agar kalor yang dimiliki sepenuhnya diterima oleh air.

Jika steam dialirkan dalam pipa annulus, maka sebagian kalor akan terbuang ke

lingkungan dengan percuma karena adanya perpindahan kalor secara konveksi

alamiah yang disebabkan oleh adanya perbedaan temperatur antara steam dengan

lingkungan.

- Alasan ekonomis, karena diameter pipa lebih kecil dibandingkan diameter anulus.

Dibandingkan dengan air harga steam tersebut mahal, sehingga penggunaannya harus

Page 38: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

37

dihemat dengan mengalirkannya di pipa berarti jumlah steam yang digunakan relatif

sedikit dibandingkan jika dialirkan di anulus.

Penggunaan dua fluida yaitu steam dan air, tujuannya adalah untuk melihat kinerja alat

ini pada kedua fluida tersebut. Alasan penggunaan steam dan air sebagai fluida pada

percobaan ini adalah air dan steam tergolong fluida yang mudah ditemukan data-data

propertisnya dalam literatur, sehingga mudah untuk menghitung koefisien panas dan

efisiensinya. Parameter-parameter inilah yang akan menentukan baik atau tidaknya kinerja

dari Double pipe Heat Exchanger tersebut.

Secara sederhana, prinsip kerja Double pipe Heat Exchanger adalah sebagai berikut :

pertama-tama steam dibuat pada reaktor steam reforming selama kurang lebih 15 menit,

lalu kedua fluida yaitu steam reforming dan air yang berbeda temperatur dialirkan

bersama, steam dialirkan dalam tube dan air dalam shell hingga bersentuhan secara tidak

langsung, sehingga panas dari fluida yang temperaturnya lebih tinggi (steam) berpindah ke

fluida yang temperaturnya lebih rendah (air). Hasil dari proses ini adalah fluida panas

yang masuk akan menjadi lebih dingin dan fluida dingin yang masuk akan menjadi lebih

panas.

Aliran steam dan air dapat mempengaruhi kinerja dari heat exchanger, maka dalam

percobaan ini dilakukan perbandingan untuk heat exchanger aliran searah dan berlawanan

arah dengan cara membuka-tutup valve yang ada. Bila aliran searah, untuk aliran steam,

valve yang dibuka penuh secara berurutan adalah valve 1, 8,10, 12 dan 13. Sedangkan bila

aliran berlawanan, valve yang dibuka penuh secara berurutan adalah valve 1, 8, 11, 9 dan

13. Pada aliran air baik untuk aliran searah maupun berlawanan, valve yang dibuka adalah

valve 5 dan valve 14 sebesar 1/5 putaran. Bisa dilihat yang diatur untuk menentukan

kondisi alirnya adalah dengan mengatur aliran steamnya, steam berjalan searah dengan air

atau berlawanan dengan air. Jadi kita harus memperhatikan suhu yang steam yang masuk,

untuk mencapai hasil percobaan yang benar, suhu steam masuk harus konstan sekitar 90-

100oC. Untuk mencapai kondisi konstan ini kira-kira harus ditunggu selama 10 menit agar

suhu naik. Pada aliran searah, suhu masuk steam (T4) sekitar 94oC dan pada aliran

berlawanan suhu masuk steam (T5) sekitar 96oC. Seharusnya ini adalah suhu yang dicapai

saat steady state, jadi tidak naik lagi, namun saat percobaan berlangsung suhu ini masih

naik sekitar 3 – 4 derajat. Hal ini mungkin yang menyebabkan hasil suhu pada percobaan

tidak stabil.

Page 39: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

38

Dalam percobaan ini juga dilakukan pengukuran laju alir, namun karena flowmeter

pada heat exchanger rusak maka valve ke arah flowmeter ditutup dan praktikan

menghitungnya melalui volume air dan kondensat yang ditampung. Oleh karena itu

dibutuhkan waktu yang seragam dalam menampung air dan kondensat. Praktikan

mengambil waktu 10 detik untuk tiap bukaan valve 14. Variasi aliran air dari bukaan valve

14 adalah sebesar 1/5, 2/5, 3/5, 4/5, dan 5/5, lalu akan mendapatkan perbandingan laju alir

massanya untuk tiap bukaan valve tersebut. Semakin bukaan nya besar maka laju alirnya

akan naik. Jadi, variasi bukaan valve akan mempengaruhi laju alir massa yang melewati

bidang batas perpindahan panas. Teorinya, semakin besar bukaan valve akan

menyebabkan laju alir massa semakin besar sehingga akan semakin efektif peristiwa

perpindahan panas yang bekerja. Keefektifan ini dapat terlihat dari perbedaan suhu fluida

keluaran yang tidak jauh.

Untuk perpindahan kalor yang terjadi antara heat exchanger yang aliran berlawanan

dan searah, dapat diperkirakan bahwa hasil yang lebih baik itu diperoleh dari aliran yang

berlawanan arah karena pada aliran yang berlawanan perbedaan suhu awal pada titik-titik

tertentu akan lebih besar sehingga menghasilkan driving force yang besar, maka

pertukaran kalor pada aliran berlawanan arah akan lebih efektif. Driving force yang besar

ini akan mendorong steam dan air untuk saling bertukar panas secara lebih efektif.

Akibatnya, suhu keluaran steam akan lebih rendah dibandingkan pada aliran searah. Suhu

keluaran air juga akan lebih tinggi dibandingkan aliran searah pada laju alir air yang sama.

Selain perbedaan antara aliran searah dan lawan arah, faktor pengotoran juga

mempengaruhi perpindahan panas dalam Double Pipe Heat Exchanger. Faktor pengotoran

(fouling factor) merupakan angka yang menyatakan tingkat pengotoran suatu Heat

Exchanger. Fouling dapat didefinisikan sebagai akumulasi endapan yang tidak diiinginkan

pada permukaan perpindahan panas. Dikarenakan terdapat endapan atau deposit pada

permukaan perpindahan panas, maka dibutuhkan luas perpindahan panas yang lebih agar

perpindahan panas yang diinginkan dapat tercapai ( dengan beban atau duty yang

diberikan ). Fouling factor dipengaruhi oleh sifat fluida, kecepatan alir fluida, temperature

operasi, lama operasi.

Page 40: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

39

B. Analisis Data

Dari percobaan didapatkan hasil sebagai berikut

Tabel 1. Data Pengolahan

Counter current

Percobaan Q air

(m3/s)

Q Steam

(m3/s)

Steam Air

T in

(oC)

T out

(oC)

T in

(oC)

T out

(oC)

1 0,0000515 0,0000028 96 42 28 68

2 0,000088 0,0000032 96 38 28 62

3 0,000122 0,0000028 98 36 27 56

4 0,000131 0,0000028 99 34 27 50

5 0,000154 0,0000028 100 32 27 88

Co- Current

Percobaan Q air

(m3/s)

Q Steam

(m3/s)

Steam Air

T in

(oC)

T out

(oC)

T in

(oC)

T out

(oC)

1 0,00006 0,000003 94 44 36 50

2 0,000076 0,0000031 94 47 37 51

3 0,000112 0,000003 94 42 36 46

4 0,000142 0,0000026 94 38 34 41

5 0,0000147 0,0000028 94 37 34 39

Dari data hasil percobaan diatas dapat dilihat bahwa data yang praktikan dapatkan

kurang memuaskan, karena kenaikan laju alir yang didapatkan tidak menyebabkan

kenaikan pada laju alir pada steam. Seharusnya, seiring dengan meningkatnya laju alir

pada air maka laju alir pada steam juga akan ikut meningkat. Hal ini sesuai dengan

pernyataan semakin banyaknya kalor yang diserap oleh air dari steam maka akan semakin

banyak pula steam yang terkondensasi menjadi air.

Selain itu, suhu keluaran aliran berlawanan arah lebih kecil dari suhu keluaran searah.

Hal ini menandakan bahwa perpindahan panas pada aliran berlawanan arah lebih besar

dari pada perpindahan panas pada aliran searah. Pada aliran searah, suhu keluaran air

semakin menurun hal ini disebabkan oleh laju alir air yang masuk lebih besar dari laju

steam yang masuk, sehingga akan menyebabkan suhu keluaran air semakin menurun.

Page 41: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

40

C. Analisis Perhitungan

1. Menghitung LMTD aliran

Untuk menghitung LMTD aliran digunakan persamaan sbb :

𝐿𝑀𝑇𝐷 = 𝑇1βˆ’π‘‘1 βˆ’ (𝑇2βˆ’π‘‘2)

ln (𝑇1βˆ’π‘‘1𝑇2βˆ’π‘‘2

) (4.1)

dimana,

T1 = suhu fluida panas in ; T2 = suhu fluida panas out

t1 = suhu fluida dingin in ; t2 = suhu fluida dingin out

2. Menghitung Nilai h0, h1, Uc , Ud. Counter Current

a. Analisa perhitungan ho dan hi

Nilai ho untuk saturated water dengan menggunakan persamaan :

𝑕0 = 0,023 𝑅𝑒0,8π‘ƒπ‘Ÿ0,3 π‘˜

𝐷𝑕 (4.2)

(persamaan 6-4, J.P. Holman, β€œPerpindahan Kalor”)

Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa untuk menghitung nilai h0 tersebut

dibutuhkan data-data Bilangan Prandtl (Pr) , nilai koefisien perpindahan kalor (k)

dan Bilangan Reynold (Re). Data-data seperti bilangan Pr dan k dapat dilihat dari

tabel A-9 (J.P Holman) sedangkan Re dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan berikut :

𝑅𝑒 = 𝐷𝑕

πœ‡

4π‘Š

πœ‹(𝐷02βˆ’π·1

2) (4.3)

Dengan menghitung Bilangan Reynold ini kita dapat mengetahui jenis aliran.

Dimana,

Aliran turbulen Re > 10000

Aliran transisi 2100 < Re < 10000

Aliran laminer Re < 2100

Nilai hi steam dihitung dengan menggunakan persamaan :

𝑕1 = π‘˜ 𝑁𝑒𝑑

𝐷1 (4.4)

dimana nilai Nud dihitung berdasarkan jenis aliran.

Page 42: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

41

Aliran laminer :

𝑁𝑒𝑑 = 1,86 π‘…π‘’π‘‘π‘ƒπ‘Ÿ 0,333 𝐷1

𝐿

0,333

π‘’π‘›π‘‘π‘’π‘˜ 𝑅𝑒𝑑 Pr𝐷1

𝐿> 10 (4.5)

Aliran turbulen :

𝑁𝑒𝑑 = 0,023 𝑅𝑒𝑑0,8 π‘ƒπ‘Ÿπ‘› (4.6)

Tabel 2. Tabulasi data perhitungan h1 dan h0

Jenis

aliran

Bukaan

valve

LMTD Re

Water

Liquid

Jenis

aliran

ho Re

Steam

Jenis

aliran

h1

Counter

Current

1/5 20,198 6437,771 Turbulen 884,938 710,61 Laminer 211,64

2/5 19,611 10571,77 Turbulen 1329,593 783,08 Laminer 220,74

3/5 21,422 142098,8 Turbulen 10714,73 669,4 Laminer 210,82

4/5 21,584 149318,3 Turbulen 11211,62 648,12 Laminer 210,7

5/5 7,9957 171860,1 Turbulen 12615,25 807,79 Laminer 212,61

Co-

Current

1/5 22,921 82612,13 Turbulen 6643,303 672,6788 Laminer 215,511

2/5 19,949 108486,5 Turbulen 8180,165 699,4734 Laminer 217,8961

3/5 20,193 151528 Turbulen 10844,1 656,2173 Laminer 215,227

4/5 19,027 181184,9 Turbulen 12708,01 551,8178 Laminer 204,6645

5/5 18,229 185641,3 Turbulen 12992,74 587,2963 Laminer 209,5498

Jika dilihat berdasarkan persamaan (4.3) 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 sangat dipengaruhi oleh laju alir fluida. Dimana hi dengan laju alir

akan berbanding lurus. Pernyataan ini dapat dilihat dari persamaan berikut :

Persamaan untuk kalor yang dipindahkan oleh air ke steam dapat dinyatakan dengan

persamaan berikut :

π‘ž = 𝑕 π‘₯ 𝐴 π‘₯ βˆ†π‘‡ = π‘š π‘₯ 𝐢𝑝 π‘₯ βˆ†π‘‡ (4.7)

Dimana π‘š = 𝑄 π‘₯ 𝜌 sehingga persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi :

𝑕 π‘₯ 𝐴 π‘₯ βˆ†π‘‡ = π‘š π‘₯ 𝐢𝑝 π‘₯ βˆ†π‘‡ (4.8)

Page 43: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

42

𝑕 𝐴

𝐢𝑝= 𝑄 π‘₯ 𝜌 (4.9)

dimana,

Q = Laju alir (mL/s)

A = Luas permukaan (π‘š2)

Cp = Kapasitas panas (kJ/kg 0C)

𝜌 = Massa jenis (kg/m3)

b. Analisa Perhitungan untuk Uc

Nilai Uc dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

01

1 1

1 0 0

1

ln1 1

2

cUr

Ar A

h KL A h

Dari tabel pada pengolahan data halaman 28 yang dilanjutkan halaman 29, dapat

dilihat bahwa semakin besar nilai hi dan ho maka nilai Uc akan semakin besar pula.

Hal ini sesuai dengan persamaan diaatas bahwa nilai Uc berbanding lurus dengan

nilai hi dan ho.

c. Faktor Pengotor

Setelah dipakai beberapa lama, permukaan perpindahan kalor Heat Exchanger

mungkin dilapisi oleh berbagai endapan yang biasa terdapat dalam sistem aliran.

Lapisan ini memberikan tahanan hambatan terhadap aliran kalor, dan hal ini

menyebabkan menurunnya kemampuan kerja alat itu. Pengaruh menyeluruh

daripada hal tersebut diatas biasa disebut dengan faktor pengotoran. Faktor

pengotoran dapat dirumuskan dengan persamaan :

𝑅𝑑 =1

π‘ˆπ‘‘βˆ’

1

π‘ˆπ‘ (4.10)

dimana,

Ud : Koefisien perpindahan panas saat heat exchanger dalam keadaan kotor,

dengan persamaan:

π‘ˆπ‘‘ =π‘ž

𝐴 .𝐿𝑀𝑇𝐷 (4. 11)

Page 44: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

43

A : Luas bidang perpindahan panas, yakni luas pipa dalam (Ai).

LMTD : Logarithmic Mean Temperature Difference. LMTD dihitung dengan

menggunakan persamaan (4.1).

Pada tabel 2. Sudah disajikan data–data LMTD yang didapatkan baik dari data

aliran counter- current maupun aliran co current. Dari persamaan (4.11) dapat

dilihat bahwa nilai Ud akan berbanding terbalik dengan nilai LMTD. Sehingga

semakin besar nilai Ud maka nilai LMTD akan semakin kecil, begitupula

sebaliknya.

Pada aliran searah, nilai LMTD yang dihasilkan lebih besar dari pada nilai LMTD

berlawanan arah. Pada proses-proses di industri yang melibatkan proses HE, lebih

banyak menggunakan aliran berlawanan daripada searah.

Tabel 3. Data Faktor pengotoran

Jenis

Aliran

Bukaan

Valve

Uc Ud Rd

Counter-

current

1/5 46,21919 269,749 0,017928884

2/5 46,87114 335,1747 0,018351572

3/5 46,81751 282,411 0,017818592

4/5 46,81344 290,7313 0,017921783

5/5 46,82195 812,9743 0,020127454

Co-

current

1/5 47,03521 195,6077 0,016148397

2/5 47,18171 237,4012 0,016982375

3/5 47,0629 245,0039 0,017166593

4/5 46,55077 247,4872 0,017441309

5/5 46,80694 311,6283 0,018155401

Dari persamaan (4.10) diatas dapat dilihat bahwa, faktor utama yang

mempengaruhi faktor kekotoran secara langsung adalah nilai koefisien transfer

panasnya, Uc dan Ud. Secara teoritis, nilai Uc > Ud. Sehingga nilai dari Rd tidak

bernilai negatif. Namun pada perhitungan kami mendapatkan bahwa nilai Uc < Ud

hal ini disebabkan oleh nilai konduktivitas termal bahan yang tidak bisa praktikan

Page 45: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

44

tentukan dengan tepat dikarenakan praktikan tidak mengetahui bahan penyusun pipa

tersebut.

3. Menghitung nilai Ξ΅ dan NTU

Untuk menentukan nilai efisiensi dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan :

Untuk aliran berlawanan arah :

π‘π‘‡π‘ˆ = 1

(πΆβˆ—βˆ’1)ln

πœ–βˆ’1

[(πΆβˆ—πœ–)βˆ’1] (4.13)

Untuk aliran searah :

π‘π‘‡π‘ˆ = βˆ’ln(1βˆ’(1βˆ’πΆβˆ—)πœ–

1+πΆβˆ— (4.14)

dengan C*= Cmin/Cmax dan C = Cp.Q.ρ

Seperti yang kita tau, bahwa semakin besar nilai efisiensi yang didapatkan, maka

semakin baik alat tersebut bekerja. Dari perhitungan didapatkan

Tabel 4. Perhitungan efisiensi data praktikum

Jenis

Aliran

Bukaan

Valve

Efektifitas

Water

Liquid

NTU

Water

Liquid

Counter-

current

1/5 0,79412 1,62363

2/5 0,85294 1,95567

3/5 0,87324 2,06814

4/5 0,90278 2,33375

5/5 0,93151 2,68412

Co-

current

1/5 0,75862 1,3991

2/5 0,75439 1,3862

3/5 0,82759 1,7659

4/5 0,88333 2,153

5/5 0,95 5,0254

Dari data diatas dapat dilihat bahwa nilai efisiensi dari aliran counter current lebih

besar dari pada aliran co-current. Dari sini dapat disimpilkan bahwa aliran counter

current lebih efisien dari pada aliran co-current. Hal ini disebabkan karena fluida

Page 46: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

45

panas dan fluida dingin saling bertukar panas pada titik-titik yang memiliki perbedaan

suhu yang besar. Akibatnya pertukaran kalor akan lebih menyeluruh serta suhu steam

dan air keluar tidak terpaut jauh.

Jika ditelaah, berdasarkan perumusan, maka nilai efisiensi akan berbanding lurus

dengan NTU. Dan hal ini sesuai dari hasil perhitungan yang ada. Nilai efisiensi ini

tergantung dari suhu masukan serta keluaran dari fluida dingin dan steam. Jika kalor

yang diterima oleh fluida dingin dengan kalor yang dilepaskan oleh steam sama atau

mendekati sama, berarti secara tidak langsung, efisiensi dari HE tersebut juga baik.

D. Analisis Kesalahan

Beberapa kesalahan yang mungkin terjadi pada saat praktikum yang menyebabkan

kesalahan data dan kecenderungan yang terjadi, diantaranya:

Kesalahan pada saat menghitung debit air dan steam yang disebabkan oleh

ketidaktepatan dalam perhitungan waktu dan pengukuran volume air/steam karena

pada saat mengambil air dan kondensat di gelas ukur waktunya tidak semuanya tepat

10 detik.

Kesalahan pengukuran suhu air dan steam karena saat 10 detik berlalu suhu tidak

langsung dilihat sehingga memungkinkan terjadi transfer panas ke udara yang

menyebabkan suhu turun. Karena hal ini praktikan mengulang satu percobaan untuk

mendapatkan hasil yang lebih akurat

Kesalahan pengamatan suhu yang terukur pada pengukur suhu yang terdapat pada

heat exchanger. Hal ini disebabkan suhu pada feed steam awal yang diamati belum

mencapai kondisi stabil atau masih terus naik saat percobaan sudah berlangsung.

Sehingga pada percobaan aliran searah harus diulang karena suhu yang dihasilkan di

T1, T2, T3, T5, dan T6 tidak sesuai dengan seharusnya.

Laju alir air dari kran dan laju steam tidak selalu konstan sehingga menyebabkan laju

alir kondensat yang keluar tidak konstan. Hal ini akan mempengaruhi data volume

kondensat yang didapatkan oleh praktikan.

Kemungkinan adanya faktor pengotor karena alat tersebut sering digunakan sebelum

percobaan berlangsung. Adanya faktor pengotor menyebabkan perpindahan panas

yang terjadi kurang efektif.

E. Analisis Alat dan Bahan

Page 47: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

46

1. Double Pipe Heat Exchanger

Double pipe Heat exchanger merupakan suatu alat yang didisain untuk mempelajari

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

panas melalui dinding tipis.

Gambar 12. Double pipe Heat exchanger

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. Setiap

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

bagian dalam, sedangkan fluida dingin mengalir melalui anulus antara pipa luar dan

dalam. Pengaturan terhadap valve dalam rangkaian ini akan menghasilkan aliran yang

sesuai dengan tujuan percobaan yaitu searah dan berlawanan arah.

Page 48: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

47

Aliran searah Aliran Berlawanan

Gambar 13. Aliran searah dan berlawanan arah

2. Valve

Heat exchanger juga terdiri dari valve yang berguna untuk mengatur kondisi aliran

yang diinginkan dan untuk mengatur laju alir dari dari fluida (steam dan air). Pada tiap

aliran dalam percobaan terdapat 7 valve yang dibuka. Dua valve pada masukan tangki

pencampuran dan dua lainnya pada keluaran. Semua valve yang lain berjenis global

type gate valve.

Gambar 14. Valve

3. Air

Air berfungsi sebagai fluida dingin yang dialirkan pada bagian anulus. Air

digunakan karena murah (ekonomis), mudah didapat, dan data-datanya mudah dicari

dalam berbagai literatur.

4. Steam

Steam berfungsi sebagai fluida pemanas yang akan memberikan kalor ke fluida

dingin. Steam yang dihasilkan oleh steam reformer ini dialirkan pada bagian pipa

dalam. Steam digunakan sebagai fluida panas karena tidak terlalu mahal, proses

pengadaannya mudah, serta datanya mudah dicari di berbagai literatur.

5. Gelas Ukur

Gelas ukur besar dan kecil digunakan untuk mengukur volume air dan kondensat

yang tertampung pada bagian outlet. Volume yang terukur digunakan dalam

Page 49: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

48

perhitungan laju alir air dan kondensat karena saat percobaan tidak menggunakan

flowmeter.

Gambar 15. Gelas Ukur

6. Stopwatch

Stopwatch digunakan untuk mengukur jangka waktu penampungan air dan

kondensat dalam pengukuran laju alir (dalam percobaan waktu yang digunakan adalah

10 detik).

Gambar 16. Stopwatch

7. Thermocouples pada Heat Exchanger

Thermocouples digunakan untuk mengukur suhu pada masuk dan keluarnya air dan

steam, serta mengukur suhu saat sistem telah steady state pada suhu masuknya steam.

T1 dan T2 berguna untuk mengitung LMTD, T3 adalah suhu air masuk dan T6 adalah

suhu air keluar. Sedangkan T4 adalah suhu steam masuk dan T5 adalah suhu steam

keluar pada aliran searah (aliran berlawan sebaliknya).

Gambar 17. Thermocouples

Page 50: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

49

BAB V

PENUTUP

Kesimpulan

Berdasarkan percobaan yang dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Double Pipe Heat Exchanger merupakan salah satu penukar kalor dimana fluida panas

mengalir pada pipa bagian dalam dan fluida dingin mengalir pada pipa bagian anulus.

1. Faktor-faktor yang mempengaruhi kerja dari alat Double Pipe Heat Exchanger adalah

faktor kekotoran (Rd), luas permukaan perpindahan kalor, koefisien perpindahan kalor,

beda temperatur rata-rata, jenis aliran (bilangan reynold) dan arah aliran (co-current

atau counter current).

2. Faktor kekotoran menjelaskan mengenai tahanan tambahan terhadap aliran kalor yang

menyebabkan menurunnya kinerja heat exchanger.

3. Perpindahan panas dengan aliran counter current (berlawanan arah) lebih efektif

dibandingkan dengan aliran co current (searah). Hal ini dilihat dari nilai efektivitas

kedua jenis aliran tersebut. Efektivitas dari counter current lebih besar dari pada co

current.

4. Data perhitungan koefisien perpindahan panas pada saat maksimal (Uclen), koefisien

perpindahan panas pada saat ada pengotor (Udirty), faktor kekotoran (Rd) , dan efisiensi.

Jenis

Aliran

Bukaan

Valve

Efektifitas

Water Liquid

(%)

NTU

Water

Liquid

Uc Ud Rd

Counter-

current

1/5 79,412 1,62363 46,21919 269,749 0,017928884

2/5 85,294 1,95567 46,87114 335,1747 0,018351572

3/5 87,324 2,06814 46,81751 282,411 0,017818592

4/5 90,278 2,33375 46,81344 290,7313 0,017921783

5/5 93,151 2,68412 46,82195 812,9743 0,020127454

Co-current 1/5 75,862 1,4299 47,03521 195,6077 0,016148397

2/5 75,439 1,4107 47,18171 237,4012 0,016982375

3/5 82,759 1,7659 47,0629 245,0039 0,017166593

4/5 88,333 2,153 46,55077 247,4872 0,017441309

5/5 95 5,0254 46,80694 311,6283 0,018155401

Page 51: Laporan Heat Exchanger

Heat Exchanger 2011

50

DAFTAR PUSTAKA

Buku Panduan Praktikum Proses Operasi Teknik I, Teknik Gas dan Petrokimia UI

Holman, J.P. 1995. Perpindahan Kalor Edisi Keenam. Jakarta: Erlangga.

Shah R.K , Dusan P, Sekulic. 2003. Fundamentals of Heat Exchanger. John Wiley & Sons,

Inc.,Hoboken, New Jersey.

Incropera, Frank P, dan DeWitt, David P. Fundamentals of Heat Transfer. 1981. New York:

John Wiley and Son

Anonim. Double pipe heat exchanger. http://heatexchanger-design.com/2011/04/01/double-

pipe-heat-exchanger-5/ (diakses 11 November 2011 pukul 14.00)

Misiti, Teresa, Carly Ehrenberger, etc. Heat Exchange Model.

https://controls.engin.umich.edu/wiki/index.php/HeatExchangeModel (diakses 11

November 2011 pukul 13.30)

Queen’s University. Concentric Tube Heat Exchanger.

http://www.chemeng.queensu.ca/courses/CHEE218/projects/HeatExchanger/ (diakses

11 November 2011 pukul 13.00)

Anonim. Spiral Plate Heat Exchangers. http://www.heatexchangerguy.com/spiral-heat-

exchangers.html (diakses 12 November 2011 pukul 13.00)